液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜及其制备方法和应用

本发明涉及静电纺丝工艺与介电复合材料领域，具体涉及一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、液态金属(liquid metal,lm)是一种具有高电导率并可在室温下流动的金属。与刚性填料相比，lm具有超高的流动性，可有效减小柔性复合材料中功能材料与基体之间的模量失配问题。目前，在柔性电介质复合材料领域广泛应用lm，已经证明lm能提高电介质的介电常数而不引起大的介电损耗。然而，高含量(>80vol％)下的lm会导致电介质复合材料转变为导电复合材料，即发生逾渗现象。因此，如何获得高含量的lm电介质复合材料至关重要。传统的高lm含量纤维制备方法是采用同轴湿法纺丝，即将lm作为芯材，聚合物作为壳材，以获得高含量的lm纤维。然而，这种核壳结构中的内芯具有导电性，因此该纤维通常应用于导电复合材料。目前还没有一种有效的方法可以在纤维膜的纤维内部填充大量的lm(>80vol％)，而不导致复合材料转变为导电复合材料。

2、静电纺丝法是一种高效的纳米纤维膜制备技术。该方法通过在高压电场下喷射聚合物溶液，使得液滴在电场作用下形成泰勒锥，并延展成纤维细丝，从而制得纳米级聚合物纤维。静电纺丝法制备的纤维膜具有较高的比表面积和可调的孔隙率，因此在过滤、传感和药物输送等领域有广泛的应用。通过调节聚合物浓度、溶液种类、电压和纺丝速率等参数，可以对纤维膜的形貌和尺寸进行可控调节。然而，由于液态金属(lm)本身具有超高的表面张力和低粘度，它在电纺过程中难以直接纺丝。目前，高含量的lm电介质纤维膜的制备仍是一个难点，需要克服lm本身的特性所带来的挑战。此外，在复合材料领域中，控制功能相的非均匀分布构型设计也是一项困难的任务，相关报道有限。

技术实现思路

1、本发明提供了一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中基于lm的电介质复合材料在高含量下转变为导电复合材料的问题。该方法利用静电纺丝辅助工艺，在聚氨酯(tpu)溶液中辅助高含量的lm成型，首次制备出lm体积分数高达90％的tpu纤维膜。通过静电纺丝，tpu溶液形成了纺锤体结构的粗纤维和细纤维，其中纺锤体结构中富集了大量的lm液滴，起到了调节介电常数的作用。而在细纤维中，lm含量较少，起到了牵拉和支撑的作用。纺锤体结构相互分离，使得lm在tpu纤维膜中呈孤立团簇型非均匀分布。由于lm的非均匀分布和纤维膜的特殊结构，这种纤维膜仍然保持电介质材料的特性，没有转变为导电复合材料，从而解决了高含量lm复合材料发生逾渗的问题。这种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜具有广泛的应用潜力。它可以用于电容式压力传感器、储能聚合物、相变材料等领域，为这些应用提供了高性能的电介质材料。

2、根据本发明的目的，本发明首先提供了一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

3、1)将液态金属加入到丙酮和n,n-二甲基甲酰胺的混合溶液中并在冰水浴下使用超声处理；

4、2)将聚氨酯加入到步骤1)得到的液态金属分散液中并加热搅拌，得到纺丝液；

5、3)将步骤2)得到的纺丝液装入注射器中进行静电纺丝，得到薄膜；

6、4)将步骤3)得到的薄膜室温干燥，得到液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜。

7、作为本发明的优选方案，所述步骤1)冰水浴超声处理采用的参数为超声功率270～540w，时间10～60min。作为本发明的优选方案，冰水浴超声处理采用的参数为功率360w，处理60min。

8、作为本发明的优选方案，所述步骤1)中的混合溶液中丙酮和n,n-二甲基甲酰胺的质量比为8：5。

9、作为本发明的优选方案，所述液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金中的一种或多种。

10、作为本发明的优选方案，所述步骤2)中加入的聚氨酯，其加入量为丙酮和n,n-二甲基甲酰胺的混合溶液的25％～35wt％。作为本发明的优选方案，聚氨酯占溶剂丙酮和n,n-二甲基甲酰胺的质量分数为30％。

11、作为本发明的优选方案，所述液态金属占聚氨酯基介电纤维膜的体积分数为≤90％。

12、作为本发明的优选方案，所述步骤3)中的静电纺丝参数为纺丝速率1～3ml/h，针头规格为17～23g，收集器与针头间距离为12～18cm，电压为12～15kv。作为本发明的优选方案，静电纺丝的参数为纺丝速率2ml/h，针头为23g，收集器距离为15cm，电压为12kv。

13、本发明还提供了上述方法制备得到的液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜。

14、作为本发明的优选方案，所述液态金属占聚氨酯基介电纤维膜的体积分数为80-90％。

15、本发明还进一步提供了所述液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的应用，所述纤维膜在电介质复合材料中填充了高达90vol％的lm而不发生逾渗，具有较低介电常数。解决了高含量导电功能相的复合材料从介电复合材料向导电复合材料转变的问题，可以用于作为电介质层制备电容式压力传感器，或作为储能聚合物或相变材料。

16、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果和创新性有：

17、(1)本发明首次利用了静电纺丝辅助的技术手段，基于孤立团簇型非均匀分布的原理将lm限域在tpu纤维中，在电介质复合材料中实现了高达90vol％的lm含量下不发生逾渗的效果，解决了高含量导电功能相的复合材料从介电复合材料向导电复合材料转变的问题。

18、(2)本发明制备的纤维具有纺锤体的结构，在纺锤体中含有大量lm而在连接纺锤体的细纤维中lm含量少，该结构实现了lm的孤立团簇型非均匀分布，本发明采用的静电纺丝辅助的工艺为孤立团簇型非均匀分布复合材料的制备提供了新的方法。

19、(3)本发明使用的原料组成简单，且成本低，只有液态金属、聚氨酯和丙酮和n,n-二甲基甲酰胺溶剂，同时制备的纤维膜可以通过有机溶剂再次回收，绿色环保。只涉及超声、搅拌和静电纺丝三个步骤的简单工艺，高度简化了高lm含量的纤维膜的制备流程。

技术特征：

1.一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤1)冰水浴超声处理采用的参数为超声功率270～540w，时间10～60min。

3.根据权利要求1所述的一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤1)中的混合溶液中丙酮和n,n-二甲基甲酰胺的质量比为8：5。

4.根据权利要求1所述的一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于所述液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤2)中加入的聚氨酯，其加入量为丙酮和n,n-二甲基甲酰胺的混合溶液的25％～35wt％。

6.根据权利要求1所述的一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于所述液态金属占聚氨酯基介电纤维膜的体积分数为≤90％。

7.根据权利要求1所述的一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的制备方法，其特征在于所述步骤3)中的静电纺丝参数为纺丝速率1～3ml/h，针头规格为17～23g，收集器与针头间距离为12～18cm，电压为12～15kv。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述方法制备得到的液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜。

9.根据权利要求8所述的液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜，其特征在于，所述液态金属占聚氨酯基介电纤维膜的体积分数为80-90％。

10.权利要求8或9所述的液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜的应用，其特征在于，所述纤维膜用于作为电介质层制备电容式压力传感器，或作为储能聚合物或相变材料。

技术总结
本发明公开了一种液态金属功能相的聚氨酯基介电纤维膜及其制备方法和应用，涉及静电纺丝工艺与介电复合材料领域。本发明的纤维膜(LM/TPU‑Fiber)采用静电纺丝工艺辅助制备，使得液态金属在聚氨酯中非均匀分布。该纤维膜的结构为细纤维连接的纺锤体，其中聚氨酯纤维的纺锤体富含大量液态金属，而起支撑连接作用的细纤维中液态金属含量较少。本发明利用静电纺丝辅助工艺制备了液态金属含量最高可达90vol％的聚氨酯纤维膜，并且该纤维膜具有较低的介电常数，不存在高填料填充下普遍的逾渗现象。该纤维膜可广泛应用于电容式压力传感器、储能聚合物、相变材料等领域。

技术研发人员：秦发祥,陈彦霖
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16