CN103151113B - 一种压敏导电膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压敏导电膜的制备方法。本发明通过刻蚀硬质基底后，在基底的表面得到具有规整排列的阵列结构，以此表面具有规整排列的阵列结构的基底为模板，选择能够制备出对压力具有敏感作用的薄膜的高分子材料，通过构筑模板制备出具有多孔结构的压敏弹性薄膜，然后在多孔结构的压敏弹性薄膜的孔中填充导电颗粒，由此得到压敏导电膜。本发明制备的压敏导电膜兼有金属膜所具有的高导电性和高分子膜所具有的柔韧性好、透明度高的优点。本发明制备的压敏导电膜可实现在垂直方向上的各向异性导电，提高了导电效率。本发明的制备方法简单快捷，可控性强，制备成本低，便于大规模生产。

Description

一种压敏导电膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种压敏导电膜的制备方法，特别涉及利用模板法制备具有规整排列的多孔结构的压敏弹性薄膜，并在多孔结构的压敏弹性薄膜的孔中填充导电颗粒，得到对压力具有敏感作用的压敏导电膜的制备方法。

背景技术

随着电子器件逐渐向触摸响应、智能型、超薄化方向发展，对导电膜的需求也越来越高。传统的导电膜材料主要有：金属膜、金属氧化物膜、高分子膜和复合膜等。目前研究的导电膜均是在基底上直接涂覆一层导电材料使其具有各向同性的平面导电效果，单一的导电效果已远远不能满足特殊电子器件只在一个方向实现各向异性导电的需求。因此，实现导电膜在三维方向上的各向异性导电具有潜在的优势和价值。

目前，对压力敏感的材料广泛应用于生产和生活中，特别是用于电子器件方面。例如平时用到的电子设备触摸屏、压力报警装置等器件，相比其它响应性的材料，对压力敏感的材料具有操作简单，控制精确等优点。因此，将压力敏感材料与导电材料相结合，在对其施加一定压力的情况下，只在一个方向产生良好的导电效果，当压力去除后又可恢复至正常状态。由此，这种将压力敏感材料与导电材料相结合的材料具有对压力敏感并能实现各向异性导电的良好效果，在实现电子器件的压力响应方面具有较大的优势。

将对压力具有敏感作用的高分子材料与导电纳米颗粒进行复合得到压敏导电膜。压敏导电膜在没有施加外界压力的情况下，压敏导电膜中的孔隙中的导电颗粒之间不能充分接触，因此不具有导电效果；通过对压敏导电膜施加压力，压敏导电膜被挤压后，孔隙中的导电颗粒之间充分接触，从而可以表现出具有各向异性的导电效果。此外，压敏导电膜的导电率随压力改变而改变，在压敏传感器、触摸屏、电子开关等方面具有巨大的潜在应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备工艺简单可控、成本低、适合大规模生产的压敏导电膜的制备方法。

本发明选择能够制备出对压力具有敏感作用的薄膜的高分子材料，通过构筑模板制备出具有多孔结构的压敏弹性薄膜，然后在多孔结构的压敏弹性薄膜的孔中填充导电颗粒，由此得到压敏导电膜。本发明制备的压敏导电膜兼有金属膜所具有的高导电性和高分子膜所具有的柔韧性好、透明度高的优点。本发明制备的压敏导电膜可实现在垂直方向上的各向异性导电，提高了导电效率。

本发明的压敏导电膜的制备方法为：将能够制备出对压力具有敏感作用的薄膜的高分子材料与溶剂混合得到高分子溶液，将得到的高分子溶液涂覆到表面具有规整排列的阵列结构的模板上，固化，分离，得到具有多孔结构的压敏弹性薄膜；然后将由导电颗粒与溶剂混合得到的含有导电颗粒的悬浮液填充于上述得到的具有多孔结构的压敏弹性薄膜的孔中，悬浮液中的溶剂挥发后即得到压敏导电膜。

所述的高分子溶液中的高分子材料的质量含量优选为5%～50%。

所述的高分子材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体与固化该聚二甲基硅氧烷预聚体的相应的固化剂、聚氨基甲酸脂（PU）预聚体与固化该聚氨基甲酸脂预聚体的相应的固化剂、聚乙烯醇(PVA)或聚乙二醇(PEG)。

所述的聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体与固化该聚二甲基硅氧烷预聚体的固化剂的质量比可为5：1～10：1。

所述的聚氨基甲酸脂（PU）预聚体与固化该聚氨基甲酸脂预聚体的固化剂的质量比可为5：1～10：1。

所述的高分子溶液中的溶解聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体及其固化剂的溶剂选自甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃、丙酮、丁酮中的一种或几种；溶解聚氨基甲酸酯（PU）预聚体及其固化剂的溶剂选自甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃、丙酮、丁酮中的一种或几种；溶解聚乙烯醇（PVA）的溶剂选自水、乙二醇、丙三醇、乙醇胺、甲酰胺中的一种或几种；溶解聚乙二醇（PEG）的溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯、苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或几种。

所述的悬浮液中的导电颗粒的质量含量为0.1%～50%。

所述的导电颗粒的粒径范围为2nm～1μm。

所述的导电颗粒选自铂、金、银、铜的颗粒中的一种或几种；或者选自以聚苯乙烯(PS)微球为核，核外包覆铂壳、金壳、银壳或铜壳的核壳结构的颗粒中的一种或几种。

所述的悬浮液中的溶剂选自水、乙醇、异丙醇中的一种或几种。

所述的阵列结构为圆柱阵列或多面体柱阵列。

所述的模板的材料为硅片、玻璃片或石英片。

所述的孔的孔径优选为1μm～20μm。

本发明通过刻蚀硬质基底后，在基底的表面得到具有规整排列的阵列结构，以此表面具有规整排列的阵列结构的基底为模板，利用高分子溶液复型的方法构筑具有规整排列、孔径尺寸精确定位、压力敏感的压敏弹性薄膜，并将该压敏弹性薄膜与导电颗粒相结合，制备出对压力具有敏感效果的压敏导电膜。本发明制备出的压敏导电膜在对其施加一定的压力时，孔隙中的导电颗粒被挤压出并充分接触，从而可以表现出较好的导电效果，而一旦压力去除后，孔隙中的导电颗粒又回到孔隙中，导致导电颗粒之间不接触，从而失去导电效果。

本发明将能够制备出对压力具有敏感作用的薄膜的高分子材料与导电颗粒结合制备压敏导电膜，与传统的导电膜相比，本发明得到的压敏导电膜具有导电性高、柔韧性好的优点。本发明的压敏导电膜的制备方法简单快捷，可控性强，制备成本低，便于大规模生产。本发明制备出的压敏导电膜不同于常用的导电膜，制备出的压敏导电膜能够实现在垂直方向上施加压力后实现各向异性导电效果的性质，而且材料的导电性会随压力改变而改变。制备出的压敏导电膜中的高分子材料对压力响应，使得压敏导电膜的导电性具有对压力敏感的效果，可用于对压力敏感的各向异性导电材料方面，在压敏传感器、触摸屏、电子开关、以及一些可连接的电子器件方面具有巨大的潜在应用。

附图说明

图1.本发明实施例1中的表面具有规整排列的圆柱阵列的硅片的示意图。

图2.本发明实施例1中的基于表面具有规整排列的圆柱阵列的模板制备得到的压敏弹性PDMS薄膜的示意图。

图3.本发明实施例1中的导电银颗粒的电镜照片。

图4.本发明实施例2中的导电金颗粒的电镜照片。

图5.本发明所制备的压敏导电膜的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述。

实施例1

选取硅片，采用常规刻蚀的方法在硅片的表面刻蚀出直径为1μm、高度为20μm的微米级的规整排列的圆柱阵列（如图1所示）；将聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体与固化该聚二甲基硅氧烷预聚体的固化剂（所用聚二甲基硅氧烷预聚体与固化该预聚体的固化剂为美国道康宁公司SYLGARD184硅橡胶产品）按照PDMS预聚体：固化剂的质量比为10:1进行混合，将PDMS预聚体与固化剂混合后得到的混合物与甲苯按照质量比为1:1进行混合得到质量浓度为50%的混合溶液，将得到的混合溶液滴涂到表面具有规整排列的圆柱阵列的硅片上，然后将硅片放入温度为120℃的烘箱中进行固化2小时；将固化好的PDMS薄膜与硅片分离，即可得到具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性PDMS薄膜（如图2所示）。将由粒径约为50nm的导电银颗粒（电镜照片如图3所示）与水配制得到的导电银颗粒的质量含量为5%的悬浮液填充于制备好的具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性PDMS薄膜的孔中，待悬浮液中的水挥发后，导电银颗粒进入到具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性PDMS薄膜的孔中，即得到压敏导电PDMS膜（如图5所示）。

实施例2

选取玻璃片，采用常规刻蚀的方法在玻璃片的表面刻蚀出直径为5μm、高度为20μm的微米级的规整排列的圆柱阵列；将聚乙二醇(PEG)溶于乙醇中配制出质量含量为5%的聚乙二醇溶液，将得到的聚乙二醇溶液滴涂到表面具有规整排列的圆柱阵列的玻璃片上，然后将玻璃片放入温度为80℃的烘箱中进行固化3小时；将固化好的聚乙二醇薄膜与玻璃片分离，即可得到具有孔径为5μm的多孔结构的压敏弹性聚乙二醇薄膜。将由粒径约为10nm的导电金颗粒（电镜照片如图4所示）与异丙醇配制得到的导电金颗粒的质量含量为10%的悬浮液填充于制备好的具有孔径为5μm的多孔结构的压敏弹性聚乙二醇薄膜的孔中，待悬浮液中的异丙醇挥发后，导电金颗粒进入到具有孔径为5μm的多孔结构的压敏弹性聚乙二醇薄膜的孔中，即得到压敏导电聚乙二醇膜。

实施例3

选取石英片，采用常规刻蚀的方法在石英片的表面刻蚀出直径为20μm、高度为20μm的微米级的规整排列的圆柱阵列；将聚乙烯醇（PVA）溶于乙二醇中配制出质量含量为50%的聚乙烯醇溶液，将得到的聚乙烯醇溶液滴涂到表面具有规整排列的圆柱阵列的石英片上，然后将石英片放入温度为80℃的烘箱中进行固化1小时；将固化好的聚乙烯醇薄膜与石英片分离，即可得到具有孔径为20μm的多孔结构的压敏弹性聚乙烯醇薄膜。将由粒径约为1μm的导电铜颗粒与乙醇配制得到的导电铜颗粒的质量含量为50%的悬浮液填充于制备好的具有孔径为20μm的多孔结构的压敏弹性聚乙烯醇薄膜的孔中，待悬浮液中的乙醇挥发后，导电铜颗粒进入到具有孔径为20μm的多孔结构的压敏弹性聚乙烯醇薄膜的孔中，即得到压敏导电聚乙烯醇膜。

实施例4

选取硅片，采用常规刻蚀的方法在硅片的表面刻蚀出直径为1μm、高度为20μm的微米级的规整排列的圆柱阵列；将聚氨基甲酸酯预聚体与固化该聚氨基甲酸酯预聚体的固化剂（固化剂为商品Bayhydur305）按照聚氨基甲酸酯预聚体：固化剂的质量比为20:1进行混合，将聚氨基甲酸酯预聚体与固化剂混合后得到的混合物溶于二甲苯中制备得到质量浓度为5%的混合溶液，将得到的混合溶液滴涂到表面具有规整排列的圆柱阵列的硅片上，然后将硅片放入温度为100℃的烘箱中进行固化2小时；将固化好的聚氨基甲酸酯薄膜与硅片分离，即可得到具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性聚氨基甲酸酯薄膜。将由粒径约为5nm的导电银颗粒与水配制得到的导电银颗粒的质量含量为0.1%的悬浮液填充于制备好的具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性聚氨基甲酸酯薄膜的孔中，待悬浮液中的水挥发后，导电银颗粒进入到具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性聚氨基甲酸酯薄膜的孔中，即得到压敏导电聚氨基甲酸酯膜。

实施例5

选取玻璃片，采用常规刻蚀的方法在玻璃片的表面刻蚀出对角线长为8μm、高度为20μm的微米级的规整排列的正六棱柱阵列；将聚乙二醇(PEG)溶于二氯甲烷中配制出质量含量为5%的聚乙二醇溶液，将得到的聚乙二醇溶液滴涂到表面具有规整排列的正六棱柱阵列的玻璃片上，然后将玻璃片放入温度为80℃的烘箱中进行固化3小时；将固化好的聚乙二醇薄膜与玻璃片分离，即可得到具有对角线长为8μm的正六边形孔的多孔结构的压敏弹性聚乙二醇薄膜。将由粒径约为2nm的导电银颗粒与水配制得到的导电银颗粒的质量含量为10%的悬浮液填充于制备好的具有对角线长为8μm的正六边形孔的多孔结构的压敏弹性聚乙二醇薄膜的孔中，待悬浮液中的水挥发后，导电银颗粒进入到具有对角线长为8μm的正六边形孔的多孔结构的压敏弹性聚乙二醇薄膜的孔中，即得到压敏导电聚乙二醇膜。

实施例6

选取石英片，采用常规刻蚀的方法在石英片的表面刻蚀出直径为20μm、高度为20μm的微米级的规整排列的圆柱阵列；将聚乙烯醇（PVA）溶于水中配制出质量含量为50%的聚乙烯醇溶液，将得到的聚乙烯醇溶液滴涂到表面具有规整排列的圆柱阵列的石英片上，然后将石英片放入温度为80℃的烘箱中进行固化1小时；将固化好的聚乙烯醇薄膜与石英片分离，即可得到具有孔径为20μm的多孔结构的压敏弹性聚乙烯醇薄膜。将由粒径约为300nm的以PS微球为核，核外包覆银壳的核壳结构的导电颗粒与异丙醇配制得到的所述的导电颗粒的质量含量为50%的悬浮液填充于制备好的具有孔径为20μm的多孔结构的压敏弹性聚乙烯醇薄膜的孔中，待悬浮液中的异丙醇挥发后，所述的导电颗粒进入到具有孔径为20μm的多孔结构的压敏弹性聚乙烯醇薄膜的孔中，即得到压敏导电聚乙烯醇膜

实施例7

选取硅片，采用常规刻蚀的方法在硅片的表面刻蚀出直径为1μm、高度为20μm的微米级的规整排列的圆柱阵列；将聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体与固化该聚二甲基硅氧烷预聚体的固化剂（所用聚二甲基硅氧烷预聚体与固化该预聚体的固化剂为美国道康宁公司SYLGARD184硅橡胶产品）按照PDMS预聚体：固化剂的质量比为5:1进行混合，将PDMS预聚体与固化剂混合后得到的混合物与N,N-二甲基甲酰胺按照质量比为1:4进行混合得到质量浓度为20%的混合溶液，将得到的混合溶液滴涂到表面具有规整排列的圆柱阵列的硅片上，然后将硅片放入温度为120℃的烘箱中进行固化2小时；将固化好的PDMS薄膜与硅片分离，即可得到具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性PDMS薄膜。将由粒径约为50nm的导电金颗粒与乙醇配制得到的导电银颗粒的质量含量为10%的悬浮液填充于制备好的具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性PDMS薄膜的孔中，待悬浮液中的乙醇挥发后，导电银颗粒进入到具有孔径为1μm的多孔结构的压敏弹性PDMS薄膜的孔中，即得到压敏导电PDMS膜。

Claims (10)

1.一种压敏导电膜的制备方法，其特征是：将由高分子材料与第一溶剂混合得到的高分子溶液涂覆到表面具有规整排列的阵列结构的模板上，固化，分离，得到具有多孔结构的压敏弹性薄膜；然后将由导电颗粒与第二溶剂混合得到的含有导电颗粒的悬浮液填充于上述得到的具有多孔结构的压敏弹性薄膜的孔中，悬浮液中的第二溶剂挥发后得到压敏导电膜；

所述的高分子材料为聚二甲基硅氧烷预聚体与固化剂、聚氨基甲酸脂预聚体与固化剂、聚乙烯醇或聚乙二醇。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的高分子溶液中的高分子材料的质量含量为5％～50％。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是：所述的高分子溶液中的第一溶剂选自水、醋酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、丁酮、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、乙醇胺、甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的悬浮液中的导电颗粒的质量含量为0.1％～50％。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征是：所述的悬浮液中的第二溶剂选自水、乙醇、异丙醇中的一种或几种。

6.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征是：所述的导电颗粒的粒径为2nm～1μm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：所述的导电颗粒选自铂、金、银、铜的颗粒中的一种或几种；或者选自以聚苯乙烯微球为核，核外包覆铂壳、金壳、银壳或铜壳的核壳结构的颗粒中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的阵列结构为圆柱阵列或多面体柱阵列。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的模板的材料为硅片、玻璃片或石英片。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的孔的孔径为1μm～20μm。