一种软质导体及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种软质导体及其制备方法。
背景技术
软性电子设备由于其具有可附着在复杂表面上，在工作状态下可拉伸变形等优点，成为近几年高端电子设备的主要研究方向，如可折叠的电子显示屏幕，可伸缩传感器、穿戴型太阳能电池以及实时跟踪的植入型医疗诊断器械。
但此类电器原件为保证工作状态的稳定性，需满足在反复复杂变形过程中保持导电性能稳定，且在溶剂、水环境中不发生溶胀、腐蚀等破坏。目前最常用的软质导体主要为纳米金属复合材料和导电聚合物凝胶，但两者各有不可避免的缺点：纳米金属复合材料由于金属固有的硬度，导致导体在使用过程中，遇到拉伸、弯曲等情况时，易发生褶皱、分层等，使得横截面积发生变化从而导致导电率发生改变；而导电聚合物凝胶虽具有柔软、较大的变形性能，但通常电导率较低，且在溶剂中易发生膨胀，继而影响电性能和机械性能。
发明内容
基于此，本发明提供了一种软质导体的制备方法，在聚苯乙烯中插入导电高聚物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸，通过静电纺丝工艺将其压制成板状导电材料，解决了现有的软质导体无法将稳定的导电性能和柔软变形性能兼具的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种软质导体的制备方法，包括以下步骤：
S1、将聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，得到溶液A；
S2、将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸加入所述溶液A中，搅拌，得到溶液B；
S3、将所述溶液B静电纺丝制得所述软质导体材料。
本发明以聚苯乙烯为基体，插入导电高聚物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)，使得制得的软质导体在具有耐溶剂性能的同时，不易发生形变或破坏，稳定保持良好的导电性能。
进一步的，步骤S1的具体步骤为将聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，搅拌24～48h后，得到溶液A，其中，所述溶液A的浓度为3％～8％。本发明优选了溶液A的质量浓度为3-8％，这是由于低浓度在静电纺丝过程中可使溶剂的挥发速度较快，聚合物在极短时间内可凝聚固化，此过程伴随着表面的收缩、坍塌，容易形成中空、多孔的聚苯乙烯纤维，且由于具有粗糙的表面结构，使得其具有良好的疏水、疏溶剂性能，从而保证软质导体在使用过程中的导电稳定性。
进一步的，步骤S1中，所述聚苯乙烯的分子量为200000～300000。
本发明优选的，采用聚苯乙烯分子量为200000～300000，因为分子量较高，使得高聚物粘弹力较大，分子交联网状结构致密，制备得到的软质导体具有更好的抗拉、抗弯性能，从而使得制备的软质导体可在使用过程中受力而不影响导电效果。
进一步的，步骤S2中，所述溶液B中，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸和聚苯乙烯的质量比为(10～20):(80～90)。
进一步的，步骤S2中，所述搅拌的时间为24～48h。
进一步的，步骤S3中，所述静电纺丝的具体步骤为：将所述溶液B注入静电纺丝头的玻璃管中，在电压12～20kV条件下，固定阳极和阴极之间的距离为15～20cm，纺丝速度为0.3～1.5mL/h铝箔片接收，即得所述软质导体。
本发明的另一个目的在于提供一种采用上述制备方法制得的软质导体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明首次提出用聚苯乙烯作为基体，插入导电高聚物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)，再结合静电纺丝工艺制备软质导体材料，由于聚苯乙烯本身具有多孔、疏松的结构，因此，制得的软质导体材料具有疏水、耐溶剂的性能。结合静电纺丝工艺，插入聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸，压制成板状导电材料，其由互相缠绕的细砂组成，具有较大的拉伸和收缩变形性能，即使在外力作用下不易发生明显的破坏和变形。同时插入的导电高聚合物进入纤维，形成网状结构，从而即使外部导体发生变形时，也可保证稳定的导电性能，并且插入纤维中的导电高分子可受到聚苯乙烯材料的保护，使得在极性溶剂、水等环境下，也保持优良的导电性能。
本发明为传统的软质导体领域提供了突破性的解决方法，给出软质导体设计的新思路，从而对促进新型电器设备原件的开发，具有深远的意义。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
在室温下，将分子量为250000的聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，磁力搅拌36小时，得到质量浓度为5％的溶液A；
然后将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)加入溶液A中，磁力搅拌36小时，其中聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与聚苯乙烯的质量比为15:85，得到溶液B；
将溶液B注入静电纺丝头的玻璃管中，在电压16kV条件下，固定阳极和阴极之间的距离为18cm，纺丝速度为0.8mL/h铝箔片接收，得到软质导体材料。
实施例2
在室温下，将分子量为280000的聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，磁力搅拌30小时，得到质量浓度为6％的溶液A；
然后将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)加入溶液A中，磁力搅拌30小时，其中聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与聚苯乙烯的质量比为18:82，得到溶液B；
将溶液B注入静电纺丝头的玻璃管中，在电压18kV条件下，固定阳极和阴极之间的距离为16cm，纺丝速度为0.5mL/h铝箔片接收，得到软质导体材料。
实施例3
在室温下，将分子量为250000的聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，磁力搅拌40小时，得到质量浓度为4％的溶液A；
然后将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)加入溶液A中，磁力搅拌40小时，其中聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与聚苯乙烯的质量比为12:88，得到溶液B；
将溶液B注入静电纺丝头的玻璃管中，在电压14kV条件下，固定阳极和阴极之间的距离为17cm，纺丝速度为1.2.mL/h铝箔片接收，得到软质导体材料。
实施例4
在室温下，将分子量为200000的聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，磁力搅拌24小时，得到质量浓度为3％的溶液A；
然后将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)加入溶液A中，磁力搅拌24小时，其中聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与聚苯乙烯的质量比为10:90，得到溶液B；
将溶液B注入静电纺丝头的玻璃管中，在电压12kV条件下，固定阳极和阴极之间的距离为15cm，纺丝速度为0.3mL/h铝箔片接收，得到软质导体材料。
实施例5
在室温下，将分子量为300000的聚苯乙烯溶解到N,N-二甲基丙烯酰胺中，磁力搅拌48小时，得到质量浓度为8％的溶液A；
然后将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)加入溶液A中，磁力搅拌48小时，其中聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与聚苯乙烯的质量比为20:80，得到溶液B；
将溶液B注入静电纺丝头的玻璃管中，在电压20kV条件下，固定阳极和阴极之间的距离为20cm，纺丝速度为1.5mL/h铝箔片接收，得到软质导体材料。
测试例：
1、将实施例1～5制得的软质导体切成10mm×40mm×1mm大小的方片，在拉伸机上将样品拉伸至形变量50％后压缩至原始位置为一个循环，重复10000次，测试实验前后样品的电阻率的变化率(R0/R，R0为样品实验前初始电阻率，R为以上实验重复1000次后的电阻率)，其中电阻率使用SZT22000型数字式四探针测试仪测试，结果见表1：
表1
2、将实施例1～5制备得到的软质导体切成10mm×40mm×1mm大小的方片，在浓度为分别为1mol/L氢氧化钠溶液和1mol/L盐酸溶液中浸泡1000小时后，测试样品的电阻变化率(R0/R，R0为样品实验前初始电阻率，R为不同溶剂浸泡1000小时后的电阻率)，其中电阻率使用SZT22000型数字式四探针测试仪测试，结果见表2：
表2
由表1和表2测试结果可知，本发明制备的软质导体在经受反复拉伸压缩的形变过程和酸碱环境的浸泡后，仍保持较好的导电性能，充分说明采用本发明制备方法制得的软质导体具有良好的耐形变和耐溶剂性能，并且具有稳定的导电性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
