CN109810577A - 一种树突状纳米银导电油墨及全印制应力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树突状纳米银导电油墨的配制以及直接丝网印刷全印制应力传感器的制备方法。本发明在树突状纳米银/SIS油墨体系中引入Disponer 904S作为分散剂，使获得具有良好的印刷适性的树突状纳米银导电油墨。运用丝网印刷的方式将配制的树突状纳米银导电油墨印刷在丁腈橡胶基底上，可以得到具有高可拉伸性和高灵敏度的应力传感器，并且印刷不同的几何图案可以得到具有不同传感性能的应力传感器。而且可以将导电油墨直接印刷在一次性丁腈橡胶手套上得到能够检测手势动作的智能手套。该方法成本低，操作简便，能够实现快速大批量生产，可用于工业化批量制备和生产，并可将其应用于可穿戴电子设备用于检测人体关节运动和人机交互智能系统。

Description

一种树突状纳米银导电油墨及全印制应力传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种树突状纳米银导电油墨的配制以及直接丝网印刷全印制应力传感器的制备方法。

背景技术

柔性应力传感器可以广泛地应用于人体关节运动监测，电子皮肤，可穿戴电子设备和人机交互智能系统。在所有应力传感器中，电阻式应力传感器由于设备结构简单，灵敏度高，读取机制简单，引起了研究者们广泛地关注。电阻式应力传感器通常由将导电材料组成的导电网络沉积在弹性体基底表面或者嵌入里面制成。目前，各种各样的方式用来制备电阻式应力传感器，例如旋涂，滴涂，模具填充，注射，真空抽滤等等。然而，相对复杂的制备过程和无法实现快速大批量的生产限制了它们的实际应用。相对来说，丝网印刷生产成本低，操作简易，能够进行大批量快速生产。而且由于丝网印刷版上的图案部分由网孔和丝网组成，所以通过丝网印刷得到的导电网络在丝网位置的墨层厚度比在网孔位置的墨层厚度要薄，能够形成一个网格状的微结构，有利于提高应力传感器的灵敏度。此外，目前通常用于形成导电网络的各种微纳米材料，要么具有高的初始电阻(如石墨烯，碳纳米管等)，要么需要高的烧结温度(>120℃，如银纳米线，银纳米颗粒等)，或者本身的材料性质限制了传感器的灵敏度(离子液体等)，这都不利于获得具有高可拉伸性，高灵敏度的应力传感器。因此，选择一种合适的导电材料，配制出具有良好印刷适性的导电油墨，通过直接印刷的方式得到具有高可拉伸性和高灵敏度的应力传感器对商业化可穿戴应力传感器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是大批量合成具有均一形貌的树突状纳米银，利用它配制出具有良好的印刷适性的导电油墨，通过直接印刷的方式制备出基于树突状纳米银的高性能的应力传感器，并且能够实现低成本，快速大批量制备，可用于工业化批量生产，并且可将其应用于可穿戴电子设备的生产中。

研究发现，具有独特树枝状结构的纳米银，能够在较低的温度下获得较高的电导率，并且由于与弹性体基底具有较大的接触面积，能够在拉伸过程中更好的保持导电通路的连接，因此树突状纳米银表现出更优异的机械性能和电性能，有很大的潜力应用于制备高可拉伸性和高灵敏度应力传感器。而且树突状纳米银制备过程简单快速，产量大，能够满足大规模生产。

本发明所要解决的问题是提供一种具有优异的印刷适性的导电油墨的配制方法和全印制高性能应力传感器的制备。其中树突状纳米银导电油墨的制备方法，具体包括以下步骤：

1)树突状纳米银的合成：将铜箔剪成7cm×5cm大小，用稀盐酸处理去除表面脏污和氧化物，然后用去离子水洗净备用。取0.34g硝酸银溶解在40ml去离子水中，搅拌3min，然后加入1.7g聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，搅拌10min得到溶液A。将洗净的铜箔插入溶液A中，静置10min即可得到树突状纳米银。然后用无水乙醇和去离子水轮流清洗三次即可得到纯净的树突状纳米银。

2)树突状纳米银导电油墨的配制：将分散在无水乙醇中的树突状纳米银在60℃下真空烘干备用。1.25g的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)溶解于10ml的二甲苯中，得到SIS溶液。然后将树突状纳米银，SIS溶液，Disponer904S按照50：48：2的质量比混合均匀即可得到具有良好印刷适性的树突状纳米银导电油墨。

基于上述树突状纳米银导电油墨的全印制高性能应力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

3)SIS油墨的配制：1.25g的SIS溶解于4ml的二甲苯中，得到SIS油墨.

4)全印制应力传感器的制备，具体方法为：通过丝网印刷将配制好的树突状纳米银导电油墨以不同的图案转移至承印物基底上，然后静置5min，然后丝网印刷SIS油墨套印一层，然后在80℃烘箱中烘30min，裁剪成6cm×1.2cm。

进一步的，所述承印物包括纸张，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和丁腈橡胶。

进一步的，当承印物为丁腈橡胶时，先将丁腈橡胶用无水乙醇和去离子水洗净，然后烘干备用。

进一步的，所述应力传感器的工作应力范围为105％～180％，最大灵敏度范围为204.08～386.82。

一种树突状纳米银导电油墨的应用，通过丝网印刷将树突状纳米银导电油墨印刷在可穿戴设备上，用于人体关节运动监测。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明方法将具有独特树枝状结构的纳米银作为导电填料，Disponer 904S作为分散剂，SIS作为粘结剂配制出具有良好的印刷适性的导电油墨，能够印刷在纸张，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和丁腈橡胶上。

2、通过丝网印刷的方法，可以制备出具有不同的传感性能(不同的拉伸极限和灵敏度)的应力传感器，可以应用于可穿戴设备，用于人体关节运动监测。

3、通过丝网印刷，可以直接将导电油墨印刷在一次性丁腈橡胶手套的五个手指位置得到智能手套，可以用来监测手势动作。

4、树突状纳米银导电油墨印刷的导电图案表现出高的电导率(1.14×10⁵S m^-1)。线宽为2mm的直线型全印刷应力传感器表现出宽的工作应力范围(105％)，高的灵敏度(最大灵敏度可达到294.3)，超快的响应速度(18ms)和长时间的稳定性。

具体实施方式

实施例1；

本发明涉及树突状纳米银导电油墨的配制以及直接丝网印刷全印制应力传感器的制备方法。具体如下；1)树突状纳米银的合成:将铜箔剪成7cm×5cm大小，用稀盐酸处理去除表面脏污和氧化物，然后用去离子水洗净备用。取0.34g硝酸银溶解在40ml去离子水中，搅拌3min，然后加入1.7g聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，搅拌10min得到溶液A。将洗净的铜箔插入溶液A中，静置10min即可得到树突状纳米银。然后用无水乙醇和去离子水轮流清洗三次即可得到纯净的树突状纳米银。2)树突状纳米银导电油墨的配制：将分散在无水乙醇中的树突状纳米银在在60℃下真空烘干备用。1.25g的SIS溶解于10ml的二甲苯中，得到SIS溶液。然后将树突状纳米银，SIS溶液，Disponer 904S按照50：48：2的质量比混合均匀即可得到具有良好印刷适性的树突状纳米银导电油墨。3)SIS油墨的配制：1.25g的SIS溶解于4ml的二甲苯中，得到SIS油墨。4)全印制应力传感器的制备，具体方法为：将丁腈橡胶用无水乙醇和去离子水洗净，烘干备用。然后通过丝网印刷将配制好的树突状纳米银导电油墨转移至丁腈橡胶基底上，印刷图案为蛇形线，线宽为2mm，长度为55mm，然后静置5min，然后丝网印刷SIS油墨套印一层，然后在80℃烘箱中烘30min，裁剪成60mm×12mm。

本发明实施例1获得的蛇线型应力传感器的工作应力范围为180％，最大灵敏度为488.67。

实施例2；

本发明涉及树突状纳米银导电油墨的配制以及直接丝网印刷全印制应力传感器的制备方法。具体如下；1)树突状纳米银的合成:将铜箔剪成7cm×5cm大小，用稀盐酸处理去除表面脏污和氧化物，然后用去离子水洗净备用。取0.34g硝酸银溶解在40ml去离子水中，搅拌3min，然后加入1.7g聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，搅拌10min得到溶液A。将洗净的铜箔插入溶液A中，静置10min即可得到树突状纳米银。然后用无水乙醇和去离子水轮流清洗三次即可得到纯净的树突状纳米银。2)树突状纳米银导电油墨的配制：将分散在无水乙醇中的树突状纳米银在在60℃下真空烘干备用。1.25g的SIS溶解于10ml的二甲苯中，得到SIS溶液。然后将树突状纳米银，SIS溶液，Disponer 904S按照50：48：2的质量比混合均匀即可得到具有良好印刷适性的树突状纳米银导电油墨。3)SIS油墨的配制:1.25g的SIS溶解于4ml的二甲苯中，得到SIS油墨。4)全印制应力传感器的制备，具体方法为：将丁腈橡胶用无水乙醇和去离子水洗净，烘干备用。然后通过丝网印刷将配制好的树突状纳米银导电油墨转移至丁腈橡胶基底上，印刷图案为折线，线宽为2mm，长度为55mm，然后静置5min，然后丝网印刷SIS油墨套印一层，然后在80℃烘箱中烘30min，裁剪成60mm×12mm。

本发明实施例2获得的折线型应力传感器的工作应力范围为160％，最大灵敏度为386.82。

实施例3；

本发明涉及树突状纳米银导电油墨的配制以及直接丝网印刷全印制应力传感器的制备方法。具体如下；1)树突状纳米银的合成：将铜箔剪成7cm×5cm大小，用稀盐酸处理去除表面脏污和氧化物，然后用去离子水洗净备用。取0.34g硝酸银溶解在40ml去离子水中，搅拌3min，然后加入1.7g聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，搅拌10min得到溶液A。将洗净的铜箔插入溶液A中，静置10min即可得到树突状纳米银。然后用无水乙醇和去离子水轮流清洗三次即可得到纯净的树突状纳米银。2)树突状纳米银导电油墨的配制：将分散在无水乙醇中的树突状纳米银在在60℃下真空烘干备用。1.25g的SIS溶解于10ml的二甲苯中，得到SIS溶液。然后将树突状纳米银，SIS溶液，Disponer 904S按照50；48；2的质量比混合均匀即可得到具有良好印刷适性的树突状纳米银导电油墨。3)SIS油墨的配制：1.25g的SIS溶解于4ml的二甲苯中，得到SIS油墨。4)全印制应力传感器的制备，具体方法为：将丁腈橡胶用无水乙醇和去离子水洗净，烘干备用。然后通过丝网印刷将配制好的树突状纳米银导电油墨转移至丁腈橡胶基底上，印刷图案为横断线，线宽为2mm，长度为55mm，然后静置5min，然后丝网印刷SIS油墨套印一层，然后在80℃烘箱中烘30min，裁剪成60mm×12mm。

本发明实施例3获得的横断线型应力传感器的工作应力范围为130％，最大灵敏度为204.08。

实施例4；

本发明涉及树突状纳米银导电油墨的配制以及直接丝网印刷全印制应力传感器的制备方法。具体如下；1)树突状纳米银的合成：将铜箔剪成7cm×5cm大小，用稀盐酸处理去除表面脏污和氧化物，然后用去离子水洗净备用。取0.34g硝酸银溶解在40ml去离子水中，搅拌3min，然后加入1.7g聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，搅拌10min得到溶液A。将洗净的铜箔插入溶液A中，静置10min即可得到树突状纳米银。然后用无水乙醇和去离子水轮流清洗三次即可得到纯净的树突状纳米银。2)树突状纳米银导电油墨的配制：将分散在无水乙醇中的树突状纳米银在在60℃下真空烘干备用。1.25g的SIS溶解于10ml的二甲苯中，得到SIS溶液。然后将树突状纳米银，SIS溶液，Disponer 904S按照50；48；2的质量比混合均匀即可得到具有良好印刷适性的树突状纳米银导电油墨。3)SIS油墨的配制：1.25g的SIS溶解于4ml的二甲苯中，得到SIS油墨。4)全印制应力传感器的制备，具体方法为；将丁腈橡胶用无水乙醇和去离子水洗净，烘干备用。然后通过丝网印刷将配制好的树突状纳米银导电油墨转移至丁腈橡胶基底上，印刷图案为直线，线宽为2mm，长度为55mm，然后静置5min，然后丝网印刷SIS油墨套印一层，然后在80℃烘箱中烘30min，裁剪成60mm×12mm。

本发明实施例4获得的直线型应力传感器的工作应力范围为105％，最大灵敏度为294.34。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种树突状纳米银导电油墨的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)树突状纳米银的合成：将铜箔用稀盐酸处理去除表面脏污和氧化物，然后用去离子水洗净备用；取硝酸银溶解在去离子水中，搅拌3-5min至混合均匀，然后加入聚乙烯吡咯烷酮(K-30)，搅拌10-15min得到溶液A，其中硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:5；将洗净的铜箔插入溶液A中，静置10-15min即可得到树突状纳米银；然后用无水乙醇和去离子水轮流清洗多次即可得到纯净的树突状纳米银；

2)树突状纳米银导电油墨的配制：将分散在无水乙醇中的树突状纳米银在60-80℃下真空烘干备用；1.25g的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)溶解于10ml的二甲苯中，得到SIS溶液；然后将树突状纳米银，SIS溶液，Disponer 904S按照50：48：2的质量比混合均匀，即得到具有良好印刷适性的树突状纳米银导电油墨。

2.一种基于权利要求1所述的树突状纳米银导电油墨制备应力传感器的方法，其特征在于：

3)SIS油墨的配制：1.25g的SIS溶解于4ml的二甲苯中，得到SIS油墨；

4)全印制应力传感器的制备，具体方法为：通过丝网印刷将配制好的树突状纳米银导电油墨以不同的图案转移至承印物基底上，静置5-10min，然后丝网印刷SIS油墨套印一层，最后在80-100℃烘箱中烘30-50min，即得到不同图案的应力传感器。

3.如权利要求2所述的一种基于树突状纳米银导电油墨制备应力传感器的方法，其特征在于：所述承印物包括纸张，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和丁腈橡胶。

4.如权利要求3所述的一种基于树突状纳米银导电油墨制备应力传感器的方法，其特征在于：当承印物为丁腈橡胶时，先将丁腈橡胶用无水乙醇和去离子水洗净，然后烘干备用。

5.如权利要求4所述的一种基于树突状纳米银导电油墨制备应力传感器的方法，其特征在于：所述应力传感器的工作应力范围为105％～180％，最大灵敏度范围为204.08～386.82。

6.一种如权利要求1所述的树突状纳米银导电油墨的应用，其特征在于：通过丝网印刷将树突状纳米银导电油墨印刷在可穿戴设备上，用于人体关节运动监测。