一种基于碳纳米管导电多功能涂层的PU膜及其制备方法与流程

本发明涉及涂层，具体是一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜及其制备方法。

背景技术：

1、聚氨酯（pu）薄膜具备优异的柔韧性、弹性、耐弯折性与光学透光性，且加工成本低、界面适配性强，是理想的柔性导电基材，通过设计具有高拉伸强度、高电导率等性能，适用于柔性可穿戴、航天航空等领域。单壁碳纳米管（swcnts）是制备高性能柔性导电涂层的优质纳米填料。喷涂工艺具备操作简便、成本低廉、可大面积制备、膜厚可控的优势，适配柔性薄膜的规模化加工。目前行业内采用喷涂swcnts分散液改性pu膜制备导电薄膜的技术路线已得到广泛研究，但现有技术仍存在诸多缺陷与不足：其一，swcnts比表面能高、范德华力作用强，极易团聚，导致分散液稳定性差，喷涂后导电涂层网络不连续，导电均匀性不佳，大面积制备时涂层均匀性与批次重复性较差，极大限制了该类导电pu薄膜的产业化推广与高端场景应用。

2、综上所述，为了解决上述问题，提高swcnts分散液的稳定性用于pu膜表面涂层具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，包括以下步骤：取pu膜清洗后平铺固定，喷涂swcnts分散液后加热固化，最后进行热压致密处理，在pu膜表面形成碳纳米管多功能涂层；

4、该swcnts分散液包括单壁碳纳米管和分散剂；所述分散剂包括羧甲基纤维素钠；

5、优选的，swcnts分散液的制备方法为：将单壁碳纳米管置于去离子水中，进行水浴超声和低速搅拌，再加入分散剂进行预分散，预分散后进行间歇超声，最后加入无水乙醇，搅拌混匀备用，得到swcnts分散液；

6、swcnts分散液中单壁碳纳米管的浓度为0.1mg/ml；所述单壁碳纳米管和分散剂的质量比为1：（1-10）；

7、所述单壁碳纳米管的长径比为13000-15000；

8、水浴超声的工艺参数为：水浴温度为30-40℃、超声功率为400-600w；低速搅拌的转速为300-500rpm；

9、预分散时间为0.5-1h；

10、间歇超声的工艺参数为：超声功率为200-500w、超声温度为25-40℃、超声时间为1-2h；

11、羧甲基纤维素钠为阴离子水溶性高分子，依靠π-π吸附包覆swcnts管壁，通过静电排斥+空间位阻抑制碳管缠绕团聚，乙醇降低纯水体系表面张力，提升在pu膜表面的润湿铺展能力，溶剂复配兼顾了分散稳定性与喷涂成膜性，超声波空化效应产生的瞬时冲击力，剥离紧密缠绕的swcnts管束，配合分散剂实现单根/少束均匀分散，提升分散液储存稳定性，避免喷涂过程中分层沉降；

12、优选的，喷涂的工艺参数为：采用十字交叉法喷涂、喷涂距离为15-25cm、喷涂速度为10-20cm/s、喷涂层数为4-10层、层间操作间隔为1-3min；

13、加热固化的工艺参数为：温度为60-100℃、时间为30-60min；

14、热压致密处理的工艺参数为：热压压力为5-10mpa、温度为100-150℃、时间为5-10min；

15、随着溶剂完全挥发，高长径比的swcnts相互交联、贯通，在pu膜表面构建连续的三维导电网络，使绝缘的pu薄膜具备稳定的导电、抗静电性能，最终得到柔性导电pu复合薄膜；

16、更为优选的，swcnts分散液的制备方法为：将噻吩基硅烷置于甲酸溶液中，在氮气气氛下，加热至40-45℃处理20-24h，得到噻吩基硅烷溶液；将单壁碳纳米管置于去离子水中，加入噻吩基硅烷溶液进行水浴超声和低速搅拌，再加入羧甲基纤维素钠进行预分散，预分散后进行间歇超声，最后加入无水乙醇，搅拌混匀备用，得到swcnts分散液；

17、优选的，噻吩基硅烷的制备步骤为：将无水乙二胺置于无水甲醇中，再加入噻吩醛类化合物混合，在氮气气氛下，加热至60-65℃处理6-8h后旋蒸，置于无水甲醇中超声溶解，加入3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷混合，加热至60-65℃处理24h后旋蒸，得到噻吩基硅烷；

18、优选的，噻吩醛类化合物为噻吩-2-甲醛、噻吩并[3,2-b]噻吩-2-甲醛、2,2'-联噻吩-5-甲醛中任一种；

19、优选的，无水乙二胺、噻吩醛类化合物和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的质量比为（0.38-0.64）：（0.23-0.42）：1；

20、更为优选的，单壁碳纳米管、羧甲基纤维素钠和噻吩基硅烷溶液的质量比为1：（1-5）：（1.6-12.2）：噻吩基硅烷溶液由噻吩基硅烷和浓度为0.01-0.05mol/l的甲酸溶液按照用量比为1g：（40-100）ml组成；

21、一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜，由上述制备方法制备得到。

22、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

23、本发明采用“pu基底预处理—swcnts分散液配置—均匀喷涂成膜—中低温加热固化—热压致密处理”实现单壁碳纳米管均匀铺展在pu膜表面，其中单壁碳纳米管承载核心导电功能，喷涂成膜后，可在pu膜表面搭接形成连续、贯通的三维导电网络，赋予薄膜稳定的导电性能，极低的添加量即可达到导电逾渗阈值，有效避免高填料掺杂导致的薄膜透光率下降、涂层变脆、柔韧性变差等问题，同时其优异的力学性能可跟随pu基底弯折、拉伸，保证导电网络不易断裂，提升导电薄膜的循环稳定性；分散剂采用羧甲基纤维素钠，可通过吸附包覆、静电排斥、空间位阻协同机制实现swcnts的均匀、稳定单分散，保障成膜后导电网络均匀性；去离子水作为分散体系的基础载体，无杂质、无离子干扰，作为绿色溶剂，搭配合适的分散剂，可均匀分散swcnts颗粒，构建均一、稳定的悬浮分散体系，同时体系粘度温和，适配喷涂工艺，无毒环保、成本低廉，适合规模化制备；而单纯的水分散体系表面张力大，直接喷涂易出现铺展不均、缩孔、干燥速度慢、涂层流挂等缺陷。无水乙醇可有效降低分散液整体表面张力，提升分散液在pu膜表面的润湿铺展性能，使喷涂涂层均匀平整；同时乙醇挥发速度快，可大幅缩短涂层干燥时间，提升涂层均匀性与平整度。此外，乙醇可调节分散液粘度，适配喷枪喷涂参数，提升大面积制备的工艺稳定性；进一步，添加噻吩基硅烷溶液改善分散体系中仅依靠羧甲基纤维素钠带来的绝缘性影响；噻吩基硅烷通过噻吩环与碳纳米管表面的π-π堆积实现非共价锚定分散，噻吩基硅烷的用量低于cmc，减少cmc的绝缘包裹，进一步提升涂层的导电性。

1.一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取pu膜清洗后平铺固定，喷涂swcnts分散液后加热固化，最后进行热压致密处理，在pu膜表面形成碳纳米管多功能涂层；

2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述swcnts分散液的制备方法为：将单壁碳纳米管置于去离子水中，进行水浴超声和低速搅拌，再加入分散剂进行预分散，预分散后进行间歇超声，最后加入无水乙醇，搅拌混匀备用，得到swcnts分散液。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述swcnts分散液中单壁碳纳米管的浓度为0.1-0.5mg/ml；所述单壁碳纳米管和分散剂的质量比为1：（1-10）。

4.根据权利要求2所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管的长径比为13000-15000；水浴超声的工艺参数为：水浴温度为30-40℃、超声功率为400-600w；低速搅拌的转速为300-500rpm；预分散时间为0.5-1h；所述间歇超声的工艺参数为：超声功率为200-500w、超声温度为25-40℃、超声时间为1-2h。

5.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述喷涂的工艺参数为：采用十字交叉法喷涂、喷涂距离为15-25cm、喷涂速度为10-20cm/s、喷涂层数为4-10层、层间操作间隔为1-3min。

6.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述加热固化的工艺参数为：温度为60-100℃、时间为30-60min；热压致密处理的工艺参数为：热压压力为5-10mpa、温度为100-150℃、时间为5-10min。

7.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，或者：所述swcnts分散液的制备方法为：将噻吩基硅烷置于甲酸溶液中，在氮气气氛下，加热至40-45℃处理20-22h，得到噻吩基硅烷溶液；将单壁碳纳米管置于去离子水中，加入噻吩基硅烷溶液进行水浴超声和低速搅拌，再加入羧甲基纤维素钠进行预分散，预分散后进行间歇超声，最后加入无水乙醇，搅拌混匀备用，得到swcnts分散液。

8.根据权利要求7所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述噻吩基硅烷的制备步骤为：将无水乙二胺置于无水甲醇中，再加入噻吩醛类化合物混合，在氮气气氛下，加热至60-65℃处理6-8h后旋蒸，置于无水甲醇中超声溶解，加入3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷混合，加热至60-65℃处理24h后旋蒸，得到噻吩基硅烷；所述噻吩醛类化合物为噻吩-2-甲醛、噻吩并[3,2-b]噻吩-2-甲醛、2,2'-联噻吩-5-甲醛中任一种；无水乙二胺、噻吩醛类化合物和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的质量比为（0.38-0.64）：（0.23-0.42）：1。

9.根据权利要求7所述的一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜的制备方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管、羧甲基纤维素钠和噻吩基硅烷溶液的质量比为1：（1-5）：（1.6-12.2）：噻吩基硅烷溶液由噻吩基硅烷和浓度为0.01-0.05mol/l的甲酸溶液按照用量比为1g：（40-100）ml组成。

10.一种基于碳纳米管导电多功能涂层的pu膜，其特征在于，由权利要求1-9中任一项所述制备方法制备得到。