CN108492935B - 一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，属于材料领域，包括分别制备基底薄膜和流体态的导电胶，然后通过拉拔工艺将流体态的导电胶按照设定的图形形成导电胶网络并与基底薄膜粘接，固化处理获得所述导电薄膜。本发明的柔性可拉伸透明导电薄膜具有良好的综合性能，通过流体态的导电胶，拉伸性极好，经过拉拔工艺在薄膜基底上以设定的图形组成导电胶网络；图形可控，可以实现导电性能与透光性能的分别控制；通过采用同一基底材料，连接更加可靠，不容易断裂；材料工艺简单，成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其是一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法。
背景技术
目前广泛使用的导电玻璃，是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)膜加工制作成的。ITO导电玻璃尽管有着很高的透光率，但也有许多缺陷：其基片的特性决定了这类材料的柔性很差，不可拉伸；原材料中的铟元素的市场价格很高；不能用于未来的智能可穿戴设备上。
为了提高柔性和可拉伸性并降低成本，有研究人员把银纳米线(AgNWs)、石墨烯(Graphene)及碳纳米管(CNTs)等制备成导电网络并连接到柔性基底薄膜上，从而制成柔性导电薄膜。但是，这类导电薄膜有以下缺陷：AgNWs、Graphene、CNTs本身的柔性和可拉伸性很差，严重制约了导电薄膜的柔性、拉伸性能和循环使用性；其本身不具有粘性，与基底连接的可靠性不高，且不易于封装，这导致薄膜整体的韧性差，在使用的过程中，导电网络很容易断开并脱离基底，导致薄膜失效；导电网络的结构和图形不易精确控制，从而不能控制线间距，不易控制透光率；这些材料的线之间的交点是搭接的，不能保证形成有效连接，进而会严重影响薄膜的导电性；拉伸过程中，搭接接头断裂，制约了循环使用性；另外，导电网络的搭接工艺会出现很多不必要的线条，浪费填充的纳米材料，不利于节约成本。
同时，有研究人员用打印的方式制作导电网格，但是其打印所用的导电墨水的配制相当复杂。
为了具备良好的柔性和可拉伸性能，并具有简单的工艺，本发明专利提出了一种以具有良好柔性的导电胶作为填充导电网络从而制成柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法。
发明内容
本发明旨在提供一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，解决背景技术中的一个或多个缺点。
本发明是这样实现的：
一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：
S1,制备中间品，取共聚物与固化剂按照一定比例混合，获得具有流体态的中间品；
S2,制备基底薄膜，取适量的流体态的中间品，注入基底模板中，保温条件下固化处理，获得表面具有粘性的柔性透明可拉伸的基底薄膜，拉伸应变超过226％；
S3,制备导电胶，取导电材料与流体态的中间品，按照3:8-1:1的质量比例范围混合，保温条件下烧结处理，获得具有粘性的柔性可拉伸的导电胶流体；
S4,导电胶与基底薄膜连接，取出一定量的导电胶流体，置入拉拔模具的腔体中，设备按照设定的图形线条行走，调节行走速度来控制丝的直径，拉拔成丝网，并放置在基底薄膜上组成特定的导电胶网络，利用导电胶流体与基底薄膜的粘性来连接；其中，所述设定的图形线条包括直线、曲线和菱形中的一种或多种；
S5,后处理，所述后处理步骤包括固化处理。
作为发明的进一步改进，所述S1具体为：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按照10:1的质量比进行混合。
作为发明的进一步改进，所述S2、S3均采用同一共聚物和固化剂制备成的流体态的中间品。
作为发明的进一步改进，S2中，所述固化处理的步骤包括在烘干箱中保温固化，温度设定为40～120℃，时间为20～150min，温度越低则时间越长；或者在室温下放置2天；所述基底薄膜的厚度为0.3～2mm。
作为发明的进一步改进，S3中，所述导电材料包括银纳米颗粒、银纳米线，石墨烯和碳纳米管中的一种或多种，所述烧结处理的步骤包括在烘干箱中保温或者室温放置，可设定的温度范围为从室温到120℃，时间为10分钟至2天，温度越低则时间越长。导电填料的种类对导电胶的透光度有重要影响，例如当填料为银纳米线时，可获得具有一定透光率的柔性可拉伸导电胶。
作为发明的进一步改进，S4中，通过增大丝的直径来提高导电率。
作为发明的进一步改进，S4中，通过减少导电胶网络中并联的图形来提高透光率。
作为发明的进一步改进，S4中，所述曲线为波浪状曲线，设备控制的波浪状曲线的波形密集程度与透光率成反比。
作为发明的进一步改进，S4中，通过将导电胶流体拉拔成并联的菱形图案来提高导电率。
作为发明的进一步改进，S5中的固化处理步骤包括在干燥箱内烘干30分钟以内，或者静置1小时至1周。
相比现有技术来说，本发明的有益效果是：采用本发明的柔性可拉伸透明导电薄膜具有良好的综合性能，通过流体态的导电胶，拉伸性极好，经过拉拔工艺在薄膜基底上以设定的图形组成导电胶网络；图形可控，可以实现导电性能与透光性能的分别控制(例如当对透光率要求较高时，可以减少并联线条的数量和图形，透光率可达90％以上，但会牺牲一定的导电性能；反之亦然)；通过采用同一基底材料，连接更加可靠，不容易断裂；材料工艺简单，成本更低。
附图说明
图1是一种波浪状曲线的导电胶网络的密集程度对比图。
图2是一种菱形的导电胶网络被外力拉伸前后对比图。
图3是本发明的拉拔工艺对导电胶流体的拉拔前后对比图。
图4是本发明提供的一种拉拔模具的结构示意图。
图5是本发明提供的一种拉拔模具及设备的结构示意图。
附图说明：1-银纳米颗粒，2-共聚物，3-基底薄膜，4-拉拔模具，41-入口，42-腔体，43-出口，5-设备，51-可移动支架，52-工作台，6-导电胶流体，60-丝线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。
本发明专利的核心内容为：将纳米或微米级的导电材料(例如，银纳米颗粒、银纳米线，石墨烯和碳纳米管)与具有粘性、柔性的共聚物按照一定比例混合并经过一系列的工艺处理，制备成具有极好的柔性、粘性、可拉伸性的导电胶，并具有一定的透光度，然后连接到柔性可拉伸透明基底(高分子材料，例如聚二甲基硅氧烷等)上，或者将导电胶(此时应为胶体及流体等状态)按照预先设定的图案在基底上形成导电网络，从而制作出柔性可拉伸透明导电薄膜。相比起现有技术，本发明具有柔性可拉伸透明导电薄膜有明显的优势，实施例1、2将提供完整的实施方案，并结合实施方案对本发明的优势进行说明。
实施例1
实施例1提供一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，包括以下步骤：
S1,制备中间品。取共聚物，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为例，按照胶体与固化剂为10：1质量比混合，此时未烧结固化，为流体态。作为基底薄膜的中间品，共聚物只需要是常规使用的用以制作基底的高分子材料即可，而作为本发明的导电胶的中间品，在共聚物上没有特殊要求，可以采用常规使用的用以制作基底的高分子材料。优选的，当基底薄膜和导电胶采用的中间品相同时，在S3中连接(粘结)更加可靠。
S2，制备基底薄膜。取一定量的PDMS，注入基底模板中，在烘干箱中保温固化，温度可以设定为40～120℃，时间为20～150min，温度越低则时间越长；也可以在室温下放置2天，不同的工艺参数得到的基底薄膜具有不同的韧性和可拉伸性，要求拉伸应变超过226％。然后从基底模板中取出来，薄膜厚度0.3～2mm，此时固化的薄膜表面仍有一定的粘性。
S3，制备导电胶。取导电材料，导电材料可以是银纳米颗粒、银纳米线，石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。本实施例以银纳米颗粒微粒。
将银纳米颗粒微粒与流体态PDMS按照设定的质量比(可以从3：8到1：1范围调节，银纳米颗粒微粒量的增多会优化导电性，但会损失拉伸性能，而银纳米颗粒微粒量的减少会使导电胶制备失败)混合均匀，然后在烘干箱中保温或者室温放置，可设定的温度范围从室温到120℃，时间为10分钟～2天，温度越低则时间越长，制备完成后应为具有一定粘度的导电胶流体。
S4,导电胶与基底薄膜连接，取出一定量的导电胶流体，置入拉拔模具的腔体中，设备按照设定的图形线条行走，调节行走速度来控制丝的直径，拉拔成丝网，并放置在基底薄膜上组成特定的导电胶网络，利用导电胶流体与基底薄膜的粘性来连接；其中，所述设定的图形线条包括直线、曲线和菱形中的一种或多种。
通过增大丝的直径来提高导电率。
通过减少导电胶网络中并联的图形来提高透光率。
所述曲线优选为波浪状曲线，设备控制的波浪状曲线的波形密集程度与透光率成反比。
通过将导电胶流体拉拔成并联的菱形图案来提高导电率。
S5,后处理。固化处理的方法有很多，例如通过静置、炉温、微波或者红外线等方式进行处理，调整相应的温度和时间，使共聚物固化，裸露出来的部分不再具有粘性，便于使用。改变后处理工艺，能够实现不同的拉伸性和电导率，提高基底薄膜与导电胶网络连接的可靠度。从而制出一个柔性可拉伸透明导电薄膜。
当丝的直径极小的时候，导电胶的量少，可以选择静置1小时～1周，导电胶固化，形成柔性可拉伸导电薄膜；当对导电性要求较高时，丝的直径很大，导电网格的线条较宽，可以在干燥箱中烘干，温度和时间视使用要求而定，可以在干燥箱内烘干30分钟以内，例如50℃和10min左右(温度不宜过高，时间不宜过长，否则会极大地损失基底的韧性和拉伸性以及薄膜的导电性能)，取出静置。导电薄膜制备完毕。
相比现有技术，采用实施例1的柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜，具有以下优势：
1.与银纳米线(AgNWs)、石墨烯(Graphene)及碳纳米管(CNTs)导电网络相比，本发明所用的导电胶网络是通过粘接、烧结及嵌入等方式与基底相连接的，而且网络的图形是可以精确控制的。
这种方法的优势具体如下：(1)导电胶网络的所有线条是一个整体，而不是把大量有限长度的纳米管、线等搭接起来，这能保证线与线的交点处形成有效的连接点，保证良好的导电性能和拉伸的循环使用性。
(2)导电胶真正与基底形成了一个整体，由于二者都具有粘性，连接后会发生固化，从而避免了导电网络脱落导致的薄膜失效问题，如果导电胶所用的共聚物与基底是相同的材料，则连接的可靠性更高。
(3)导电胶本身具有良好的柔性和可拉伸性，不再制约基底的性能，二者组合能极大地提高薄膜整体的柔性、拉伸性(超过200％)及循环使用性。
(4)导电网络的图形可控，从而精确控制导电线路的尺寸及交点的数量，通过点和线的数量的增减，控制薄膜的导电性和透光率；当透光率一定时，通过图形精确控制线与线之间交点的可靠性，提高薄膜的导电性能；而当导电性能一定时，通过控制线路的数量及线间距来提高薄膜的透光率(例如，当一条导电线的长度和横截面积一定时，其电阻值就是定值，通过控制图形的疏密程度可以改变透光率，如图1所示，图1-1、1-2、1-3分别表征一定长度的不同疏密程度的波浪状曲线，测试发现，透光率随着波形密集程度的增加而下降，即透光率高低排行：图1-1＞图1-2＞图1-3)。
(5)本发明可以通过改变图案来实现极好的拉伸性。例如，当图形为菱形时，导电胶网络也是菱形，通过对整体施加拉应力，菱形的导电胶网络同基底薄膜一起发生拉伸变形，通过图形来提供较大应变，导电胶本身只承受极小的应变，拉伸后仍有良好的导电性能与透光性能，如图2所示，图2-1、2-2分别表征被拉伸前后的导电胶网络，测试发现拉伸后仍有良好的导电性能与透光性能。
(6)导电胶图形网络的电导率很高，如下表1所示，可高达104S/cm以上。
(7)改变导电胶网络图形，可以提高某一项性能，例如，在满足其它性能的情况下，专门提高透光率，用于特殊要求。另外，可控的图形能够去除不必要的线条，节省导电胶的用量，避免浪费，降低成本。不同图形的导电薄膜的特性对比如下表1所示。
表1不同图形的导电薄膜的特性对比
2.与用打印的方式制作柔性透明导电薄膜相比，本发明适用于各种材料的导电胶来形成导电网络，导电胶的制备工艺简单，不需要进行打印机配制墨水的复杂工艺，对颗粒度和墨水张力等性能没有严格的要求，所以适用范围更广，工艺简洁，成本更低。
因此，本发明专利成功地实现了一种制作成本低，工艺简洁，具有优良综合性能(柔性和可拉伸性能良好、透光率和电导率高)的导电薄膜。
实施例2
步骤4中将导电胶按照所设定的图形线路形成导电网络，并与基底连接(粘接)。粘接前要对导电胶进行拉拔工艺。实施例2提供一种可以应用于S4拉拔工艺中的一种拉拔模具以及与拉拔模具配套的设备。
拉拔环节是为了优化电导率，如图3所示，图3-1对导电胶流体6进行如图受力方向的拉伸，使得银纳米颗粒1受到垂直于受力方向的约束而收缩，拉伸后，如图3-2所示，银纳米颗粒1之间的接触更加良好，内部的流体共聚物2被挤出来，用于定型和连接基底薄膜3。
拉拔模具4如图4所示，导电胶流体6从入口41进入腔体42，从出口43流出，拉拔模具4随机器工作头运动，拉拔成丝线60并具有设定的图形。能按照预定的图形行走的设备5有很多，例如3D打印机、雕刻机、机器人(机械臂)及点胶机等，工作示意如图5所示，可进行一定的改装，把所用设备的可移动支架51上的工作头更换为拉拔模具工作头，例如把3D打印机的挤压头或者雕刻机的刀头改为拉拔模具接头，或者把拉拔模具接到机械臂上，然后通过设备的控制器控制，按照设定的图形在工作台52上进行拉丝和构图工艺。通过调整导电胶的用量及行走速度，控制导电网络线条的尺寸(长度及横截面积不同，则电导率也不同)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1, 制备中间品，取共聚物与固化剂按照一定比例混合，获得具有流体态的中间品；
S2,制备基底薄膜，取适量的流体态的中间品，注入基底模板中，保温条件下固化处理，获得表面具有粘性的柔性透明可拉伸的基底薄膜，拉伸应变超过226%；
S3,制备导电胶，取导电材料与流体态的中间品，按照3:8-1:1的质量比例范围混合，保温条件下烧结处理，获得具有粘性的柔性可拉伸的导电胶流体；
S4, 导电胶与基底薄膜连接，取出一定量的导电胶流体，置入拉拔模具的腔体中，设备按照设定的图形线条行走，调节行走速度来控制丝的直径，拉拔成丝网，并放置在基底薄膜上组成特定的导电胶网络，利用导电胶流体与基底薄膜的粘性来连接；其中，所述设定的图形线条包括直线、曲线和菱形中的一种或多种；
S5,后处理，所述后处理步骤包括固化处理。
2.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述S1具体为：将聚二甲基硅氧烷与固化剂按照10:1的质量比进行混合。
3.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述S2、S3均采用同一共聚物和固化剂制备成的流体态的中间品。
4.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S2中的固化处理的步骤包括在烘干箱中保温固化，温度设定为40~120℃，时间为20~150min，温度越低则时间越长。
5.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S3中，所述导电材料包括银纳米颗粒、银纳米线，石墨烯和碳纳米管中的一种或多种，所述烧结处理的步骤包括在烘干箱中保温，可设定的温度范围为从室温到120℃，时间为10分钟至2天，温度越低则时间越长。
6.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S4中，通过增大丝的直径来提高导电率。
7.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S4中，通过减少导电胶网络中并联的图形来提高透光率。
8.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S4中，所述曲线为波浪状曲线，设备控制的波浪状曲线的波形密集程度与透光率成反比。
9.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S4中，通过将导电胶流体拉拔成并联的菱形图案来提高导电率。
10.根据权利要求1所述的制备柔性可拉伸导电胶透明导电薄膜的方法，其特征在于，S5中的固化处理步骤包括在干燥箱内烘干30分钟以内，或者静置1小时至1周。
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