CN109688715B - 静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，基于电流体驱动双喷头微滴喷射装置，包括安装有柔性基板的二维移动平台，其侧面设置有CCD相机，其上方设置有喷头A和喷头B，喷头A和喷头B通过导线连接有驱动电源，还通过导气管分别连接到微量气泵A和微量气泵B，驱动电源、二维移动平台、CCD相机、微量气泵A和微量气泵B均与控制设备相连；本发明的装置先后控制抗坏血酸溶液和硝酸银溶液喷出，并按照同一轨迹沉积，两种微滴发生化学反应并沉积金属银，形成了柔性导电线路。采用本发明的方法制备的导电线路不受基底材料及形状限制，操作简单，可控性高，而且还能制备出几微米到几百微米的跨尺度柔性导电线路。
Description
技术领域
本发明属于柔性导电线路制备技术领域，涉及静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，本发明还涉及使用该方法制备柔性导电线路的电流体驱动双喷头微滴喷射装置。
背景技术
目前在柔性基板上制造导电线路的方式通常分为：植入式、丝网印刷和微滴喷射。(1)植入式，主要是将导电纤维通过刺绣、缝纫、织造、编织等手段植入到织物中以形成导电线路；但在植入过程中导电纤维很容易发生弯曲，为了避免上述问题，织物中的导电纱线就必须具有较高的强度和弹性，这样不仅增加了制造导电纤维的成本和难度，且成型后的织物太硬、重量大、不易弯曲。(2)丝网印刷技术，主要利用导电浆料在基板上印刷成导电线路；虽然工艺简单，但印刷材料成本高、浪费大，其网格的存在对导电线路的宽度有限制，而且后续较高的烧结温度会直接影响基板的自身性能。(3)微滴喷射技术主要采用“挤压”的方式将导电墨水以微滴形式喷射，再通过运动平台装置按照预定轨迹运行，在基板上打印出导电图案；这种通过“挤压”方式喷射的微滴难以实现微尺度导线的制备，且该方法使用的墨水通常为金属纳米墨水，其制备工艺复杂、成本较高，不利于大范围的推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，解决了现有方法制备柔性导电线路线宽受制、柔性差的问题。
本发明的另一目的是提供使用上述方法制备柔性导电线路的电流体驱动双喷头微滴喷射装置。
本发明所采用的一种的技术方案是电流体驱动双喷头微滴喷射装置，包括二维移动平台，二维移动平台上安装有柔性基板，二维移动平台的侧面设置有CCD相机，二维移动平台的上方设置有喷头A和喷头B，喷头A和喷头B通过导线连接有驱动电源，喷头A和喷头B通过导气管分别连接到微量气泵A和微量气泵B，驱动电源、二维移动平台、CCD相机、微量气泵A和微量气泵B均与控制设备相连接。
本发明的特点还在于：
柔性基板为纸片、聚乙烯醇(PVA)薄膜、聚酯(PET)薄膜、聚酰亚胺(PI)、纺织材料中的任意一种。
喷头A与喷头B均由主体玻璃管、连接玻璃管和铜电极通过环氧树脂依次粘合而成。
主体玻璃管的长度为8mm～15mm，内径为3～7mm，外径为4～8mm，主体玻璃管的喷射口直径为100μm～200μm。
连接玻璃管的长度为10～20mm，内径为1～9mm，外径为3～8mm。
铜电极为2层阶梯状，铜电极的底层外径为4～8mm，厚度为0.5～1.5mm；铜电极的顶层外径为3～7mm，厚度0.3～1.5mm，内径为1～5mm。
本发明所采用的另一种的技术方案是，静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，采用上述的电流体驱动双喷头微滴喷射装置，电流体驱动双喷头微滴喷射装置先后控制抗坏血酸溶液和硝酸银溶液喷出，并按照同一轨迹沉积，沉积的硝酸银微滴与抗坏血酸微滴发生化学反应，形成柔性导电线路；具体制备方法按照以下步骤：
步骤1：将柔性基板安装在二维移动平台上，在喷头A中盛装抗坏血酸溶液，在喷头B中盛放硝酸银溶液；
步骤2：启动控制设备，控制微量气泵A使喷头A内部获得0.1KPa～2KPa背压，控制微量气泵B使喷头B内部获得0.1KPa～2KPa背压；
步骤3：启动二维移动平台，控制设备通过驱动电源驱动喷头A内的抗坏血酸溶液喷出，抗坏血酸微滴按照二维移动平台预设运动轨迹沉积在柔性基板上，抗坏血酸溶液沉积完成后，驱动电源停止工作；
步骤4：再次启动驱动电源和二维移动平台，控制二维移动平台移至喷头B的正下方，控制设备通过驱动电源驱动喷头B内的硝酸银溶液喷出，同时，二维移动平台重复步骤3中的运动轨迹，抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生化学反应，形成预定轨迹的柔性导电线路。
本发明的特点还在于：
驱动电源可产生两路互不干扰的激励脉冲，分别作用于喷头A和喷头B上的铜电极，激励脉冲为单极型梯形波，电压幅值为1000V～3000V，占空比为20％～80％，频率为1Hz～2000Hz。
本发明的有益效果是：
1.本发明制备柔性导电线路的方法，是将静电纺丝技术与化学沉积技术相结合，使溶液微滴按照预定轨迹喷射在柔性基板表面，通过化学反应沉积形成了柔性导电线路，不仅制备工艺简单，而且导电线路还兼具了良好的柔性；采用本发明的制备方法可以在柔性基板上制备出几微米到几百微米的跨尺度柔性导电线路，且制备的柔性导电线路不受基底材料及形状限制。
2.本发明用于制备柔性导电线路的电流体驱动双喷头微滴喷射装置，根据电流体驱动原理，利用强电场力驱动微滴喷射；电流体微滴喷射技术采用“拉”的方式，不同于传统微滴喷射技术采用“推”的方式，该技术不仅能够使用大尺寸喷嘴喷射小尺寸微滴，而且在打印高粘度材料时能够维持更大的喷射驱动力；本发明微滴喷射装置能够显著提高硝酸银溶液和抗坏血酸溶液的打印精度，制备出跨尺度柔性导电线路。
附图说明
图1是本发明电流体驱动双喷头微滴喷射装置的结构示意图；
图2是本发明电流体驱动双喷头微滴喷射装置中微滴喷射喷头的结构示意图。
图中，1.控制设备，2.驱动电源，3.微量气泵A，4.喷头A，5.喷头B，6.微量气泵B，7.CCD相机，8.柔性基板，9.二维移动平台，10.主体玻璃管，11.环氧树脂，12.连接玻璃管，13.铜电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明涉及一种电流体驱动双喷头微滴喷射装置，其结构如图1所示，包括二维移动平台9，二维移动平台9上安装有柔性基板8，二维移动平台9侧面设置有CCD相机7，二维移动平台9的上方设置有喷头A4和喷头B5，喷头A4和喷头B5通过导线连接有驱动电源2，喷头A4和喷头B5通过导气管分别连接到微量气泵A3和微量气泵B6，驱动电源2、二维移动平台9、CCD相机7、微量气泵A3和微量气泵B6均与控制设备1相连接。
其中，柔性基板8为纸片、聚乙烯醇(PVA)薄膜、聚酯(PET)薄膜、聚酰亚胺(PI)、纺织材料中的任意一种；如图2所示，喷头A4与喷头B5均由主体玻璃管10、连接玻璃管12和铜电极13通过环氧树脂11依次粘合而成，其结构如图2所示，喷头A4与喷头B5分别盛装抗坏血酸溶液和硝酸银溶液，是微滴的发生器；主体玻璃管10的长度为8mm～15mm，内径为3～7mm，外径为4～8mm，优选地，内径为5mm，外径为6mm；主体玻璃管10的喷射口直径为100μm～200μm；连接玻璃管12的长度为10～20mm，内径为1～9mm，外径为3～8mm，优选地，长度为15mm，内径为5mm，外径为6mm；铜电极13为2层阶梯状，底层外径为4～8mm，厚度为0.5～1.5mm，优选地，底层外径为6mm，厚度为1mm；铜电极13的顶层外径为3～7mm，厚度0.3～1.5mm，内径为1～5mm，优选地，顶层外径为5mm，厚度为1mm，内径为3mm。
CCD相机7用于对喷射动态过程进行采集，将采集到的信息传至控制设备1，控制设备1对抗坏血酸微滴和硝酸银微滴的尺寸及沉积形态进行分析，便于调节驱动电源2及微量气泵A3和微量气泵B6的参数，有助于修正微滴形态和定位偏差，得到优良的柔性导电线路。
本发明还涉及基于电流体驱动双喷头微滴喷射装置的静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：将柔性基板8安装在二维移动平台9上，在喷头A4中盛装抗坏血酸溶液，在喷头B5中盛放硝酸银溶液；
步骤2：启动控制设备1，控制微量气泵A3使喷头A4内部获得0.1KPa～2KPa背压，控制微量气泵B6使喷头B5内部获得0.1KPa～2KPa背压；
步骤3：启动二维移动平台9，控制设备1通过驱动电源2驱动喷头A4内的抗坏血酸溶液喷出，抗坏血酸微滴按照二维移动平台9预设运动轨迹沉积在柔性基板8上，抗坏血酸溶液沉积完成后，驱动电源2停止工作；
步骤4：再次启动驱动电源2和二维移动平台9，控制二维移动平台9移至喷头B5的正下方，控制设备1通过驱动电源2驱动喷头B5内的硝酸银溶液喷出，同时，二维移动平台9重复步骤3中的运动轨迹，抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生化学反应，形成预定轨迹的柔性导电线路。
其中，驱动电源2可产生两路互不干扰的激励脉冲，分别作用于喷头A4和喷头B5上的铜电极13，激励脉冲为单极型梯形波，电压幅值为1000V～3000V，占空比为20％～80％，频率为1Hz～2000Hz。
本发明一种电流体驱动双喷头微滴喷射装置，其工作原理如下：
在控制设备1中建立导电线路的数字化模型，通过导电线路的数控代码来实现二维移动平台9的数字化驱动；同时通过控制设备1控制驱动电源2输出高压激励信号，使喷头A4中的抗坏血酸溶液和喷头B5中硝酸银溶液在电场的作用下实现喷射，二维移动平台9与上述溶液喷射协调控制，抗坏血酸溶液和硝酸银溶液按照预定轨迹先后沉积到柔性基板8上，沉积到柔性基板8上的硝酸银微滴与抗坏血酸微滴发生化学反应，并在柔性基板8的表面沉积金属银，形成导电线路。
Claims (3)
1.静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，采用的电流体驱动双喷头微滴喷射装置，包括二维移动平台（9），所述二维移动平台（9）上安装有柔性基板（8），所述二维移动平台（9）的侧面设置有CCD相机（7），所述二维移动平台（9）的上方设置有喷头A（4）和喷头B（5），所述喷头A（4）和喷头B（5）通过导线连接有驱动电源（2），所述喷头A（4）和喷头B（5）通过导气管分别连接到微量气泵A（3）和微量气泵B（6），所述驱动电源（2）、二维移动平台（9）、CCD相机（7）、微量气泵A（3）和微量气泵B（6）均与控制设备（1）相连接；
所述喷头A（4）与喷头B（5）均由主体玻璃管（10）、连接玻璃管（12）和铜电极（13）通过环氧树脂（11）依次粘合而成；
所述主体玻璃管（10）的长度为8mm~15mm，内径为3~7mm，外径为4~8mm，所述主体玻璃管（10）的喷射口直径为100μm~200μm；
所述连接玻璃管（12）的长度为10~20mm，内径为1~9mm，外径为3~8mm；
所述电流体驱动双喷头微滴喷射装置先后控制抗坏血酸溶液和硝酸银溶液喷出，并按照同一轨迹沉积，沉积的硝酸银微滴与抗坏血酸微滴发生化学反应，形成柔性导电线路；具体按照以下步骤实施：
步骤1：将柔性基板（8）安装在二维移动平台（9）上，在喷头A（4）中盛装抗坏血酸溶液，在喷头B（5）中盛放硝酸银溶液；
步骤2：启动控制设备（1），控制微量气泵A（3）使喷头A（4）内部获得为0.1KPa~2KPa背压，控制微量气泵B（6）使喷头B（5）内部获得0.1KPa~2KPa背压；
步骤3：启动二维移动平台（9），控制设备（1）通过驱动电源（2）驱动喷头A（4）内的抗坏血酸溶液喷出，抗坏血酸微滴按照二维移动平台（9）预设运动轨迹沉积在柔性基板（8）上，抗坏血酸溶液沉积完成后，驱动电源（2）停止工作；
步骤4：再次启动驱动电源（2）和二维移动平台（9），控制二维移动平台（9）移至喷头B（5）的正下方，控制设备（1）通过驱动电源（2）驱动喷头B（5）内的硝酸银溶液喷出，同时，二维移动平台（9）重复步骤3中的运动轨迹，抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生化学反应，形成预定轨迹的柔性导电线路；
所述驱动电源（2）可产生两路互不干扰的激励脉冲，分别作用于喷头A（4）和喷头B（5）上的铜电极（13），所述激励脉冲为单极型梯形波，电压幅值为1000V~3000V，占空比为20%~80%，频率为1 Hz ~2000Hz。
2.如权利要求1所述的静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述柔性基板（8）为纸片、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚酰亚胺、纺织材料中的任意一种。
3.如权利要求1所述的静电纺丝与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述铜电极（13）为2层阶梯状，所述铜电极（13）的底层外径为4~8mm，厚度为0.5~1.5mm；所述铜电极（13）的顶层外径为3~7mm，厚度0.3~1.5mm，内径为1~5mm。
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