CN110248477B - 一种嵌入式柔性导电线路的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，首先选取适宜柔性衬底进行处理后静置备用；在柔性衬底的上表面浇注封装材料至完全覆盖；再将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液，进行超声处理后得到墨水A；将硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀后得到墨水B；将上述墨水A和墨水B，分别置入微滴喷射装置中的压电式喷头A和压电式喷头B中；先将墨水A逐滴打印在封装材料上，然后再将墨水B按照墨水A的路径逐滴打印；最后将打印好的材料放入到固化炉内进行固化处理，冷却后得到嵌入式柔性导电线路。本发明解决了现有的导电线路柔性差、导电性能差、制造工艺复杂的问题。
Description
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子器件技术领域，涉及一种嵌入式柔性导电线路的制造方法。
背景技术
喷墨打印技术具有高柔性、低成本、环保等优点，在太阳能电池、有机发光二极管、有机晶体管等电子器件领域受到了广泛的关注，柔性电子器件功能实现的关键在于导电线路的柔性化制备，而选择适合喷射打印成形的导电墨水是该技术的研究重点。
目前，常见的导电墨水有：金属纳米微粒分散溶液、有机金属化合物溶液及金属盐溶液。但是金属纳米粒子墨水的制造成本高；有机金属化合物墨水经喷射后需在较高温度下进行分解来产生金属电极，而过高的温度会对基材性能造成破坏；金属盐墨水是一种理想的喷射材料，其利用还原剂将溶液中的金属阳离子直接还原成纳米金属微粒来沉积成形导电线路，但是打印的导电线路韧性往往较差，即金属纳米颗粒之间的键性较弱，金属纳米粒子不能与基体产生很强的附着力；若仅依靠增大反应溶液浓度来提高成形线路导电率，则会在喷嘴孔处产生沉淀，堵塞喷嘴进而影响微滴喷射的稳定性。因此，寻求使用金属盐溶液的同时也能提高成形金属电极的导电性能及力学性能的方法成为当前需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，解决了现有的导电线路柔性差、导电性能差、制造工艺复杂的问题。
本发明所采用的一种技术方案是，一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备柔性衬底
选取适宜柔性衬底，将其浸渍于体积分数为75％的酒精中，并在超声振荡仪中进行超声处理，采用去离子水对其进行清洗后，室温下静置0.5h～1h，备用；
步骤2、在柔性衬底的上表面浇注封装材料至完全覆盖；
步骤3、制备墨水A
将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯以质量比为280～350：70～90：5～15：2～8：1溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；在超声振荡仪中对前驱体溶液进行超声处理后即得到墨水A，备用；
步骤4、制备墨水B
将硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀即得到墨水B，备用；
步骤5、取适量步骤3的墨水A和步骤4的墨水B，分别置入微滴喷射装置中的压电式喷头A和压电式喷头B中；
步骤6、操作步骤5的微滴喷射装置，先将墨水A逐滴打印在封装材料上，然后再将墨水B按照墨水A的路径逐滴打印；
步骤7、将步骤6打印好的封装材料放入到固化炉内进行固化处理，冷却后得到嵌入式柔性导电线路。
本发明的特点还在于：
步骤1中，超声处理的功率为50W～90W、时间为10min～20min、频率为40KHz。
柔性衬底为纸片、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚酰亚胺、纺织材料中的任意一种。
封装材料由聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶固化剂以质量比为5-15:1搅拌均匀得到。
步骤3中，抗坏血酸粉末的质量体积浓度为20％w/v～30％w/v，纳米银线的质量体积浓度为0.1％w/v～1％w/v，碳纳米管的质量体积浓度为0.01％w/v～0.1％w/v，石墨烯的质量体积浓度为0.01％w/v～0.1％w/v，聚乙烯吡咯烷酮质量体积浓度为5％w/v～10％w/v。
步骤3中，超声处理的功率为50W～90W、时间为1h～2h。
步骤4中，硝酸银溶液的质量体积浓度为40％w/v～60％w/v。
微滴喷射装置为压电式微滴喷射装置。
步骤7中，固化处理的温度为50℃～90℃，时间为1h～2h。
本发明的有益效果是：
本发明一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，将封装材料直接浇注到柔性衬底1上，便于导电线路与织物有效集成，解决了传统制备工艺中导电线路与织物的集成性差的问题；本发明所制备墨水A中含有导电增强相即纳米银线、碳纳米管及石墨烯，使得制备的柔性导电线路具有良好导电性能；而且本发明制备的柔性导电线路成本较低，无需对导电线路进行后处理，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明一种嵌入式柔性导电线路的制备工艺流程图；
图2是本发明一种嵌入式柔性导电线路的制备流程图。
图中，1.柔性衬底，2.墨水A，3.墨水B，4.压电式喷头A，5.压电式喷头B，6.墨水A打印线路，7.墨水B打印线路，8.封装材料。
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。
本发明涉及一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，如图1、图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备柔性衬底1
选取适宜柔性衬底1，将其浸渍于体积分数为75％的酒精中，并在超声振荡仪中进行超声处理，采用去离子水对其进行清洗后，室温下静置0.5h～1h，备用；
其中，柔性衬底1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；超声处理的功率为50W～90W、时间10min～20min、频率为40KHz。
步骤2、在柔性衬底1的上表面浇注封装材料8至完全覆盖；
其中，封装材料8由聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶固化剂以质量比为5-15:1搅拌均匀得到；
步骤3、制备墨水A2
将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯以质量比为280～350：70～90：5～15：2～8：1溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；在超声振荡仪中对前驱体溶液进行超声处理后即得到墨水A2，备用；
其中，抗坏血酸粉末的质量体积浓度为20％w/v～30％w/v，纳米银线的质量体积浓度为0.1％w/v～1％w/v，碳纳米管的质量体积浓度为0.01％w/v～0.1％w/v，石墨烯的质量体积浓度为0.01％w/v～0.1％w/v，聚乙烯吡咯烷酮质量体积浓度为5％w/v～10％w/v；聚乙烯吡咯烷酮为分散剂，超声处理的功率为50W～90W、时间为1h～2h。
步骤4、制备墨水B3
将硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀即得到墨水B3，备用；
其中，硝酸银溶液的质量体积浓度为40％w/v～60％w/v；
步骤5、取适量步骤3的墨水A2和步骤4的墨水B3，分别置入微滴喷射装置中的压电式喷头A4和压电式喷头B5中；
其中，微滴喷射装置为压电式微滴喷射装置；
步骤6、操作步骤5的微滴喷射装置，先将墨水A2逐滴打印在封装材料8上，然后再将墨水B3按照墨水A2的路径逐滴打印；
步骤7、将步骤6打印好的封装材料8放入到固化炉内进行固化处理，冷却后得到嵌入式柔性导电线路；
其中，固化处理的温度为50℃～90℃，时间为1h～2h。
实施例1
(1)制备柔性衬底1
选取纸片即柔性衬底1，将其裁剪为70mm×70mm的规格，备用；
将聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶固化剂以质量比为9:1搅拌均匀，并采用真空抽滤机除去其中的气泡，得到封装材料8，在上述柔性衬底1的上表面浇注封装材料8至完全覆盖；
(2)制备墨水A2
将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯以质量比为280：70：5：2：1溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；在功率为50W的超声振荡仪中对前驱体溶液进行超声1h后即得到墨水A2，备用；其中，抗坏血酸粉末的质量体积浓度为20％w/v，纳米银的质量体积浓度为0.1％w/v，碳纳米管的质量体积浓度为0.01％w/v，石墨烯的质量体积浓度为0.01％w/v，聚乙烯吡咯烷酮质量体积浓度为5％w/v。
(3)制备墨水B3
将质量体积浓度为40％w/v的硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀即得到墨水B3，备用。
(4)打印固化
将配制好的墨水A2置入微滴喷射装置中的压电式喷头A4，将配制好的墨水B3置入微滴喷射装置中的压电式喷头B5中；操作微滴喷射装置，先将墨水A2逐滴打印在封装材料8上，形成墨水A打印线路6，然后再将墨水B3按照墨水A2的路径逐滴打印，形成墨水B打印线路7；将上述打印好的封装材料8放入到60℃固化炉内固化2h，冷却后得到嵌入式柔性导电线路。
实施例2、
(1)制备柔性衬底1
选取纺织材料中的平纹织物即柔性衬底1，将其裁剪为70mm×70mm的规格，并将其浸渍于体积分数为75％的酒精中，并在频率为40KHz、功率为70W的超声振荡仪中超声15min，采用去离子水对其进行清洗后，室温下静置0.8h，备用；
将聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶固化剂以质量比为10:1搅拌均匀，并采用真空抽滤机除去其中的气泡，得到封装材料8，在上述柔性衬底1的上表面浇注封装材料8至完全覆盖；
(2)制备墨水A2
将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯以质量比为300：80：10：3：1溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；在功率为70W的超声振荡仪中对前驱体溶液进行超声1.5h后即得到墨水A2，备用；其中，抗坏血酸粉末的质量体积浓度为26％w/v，纳米银线的质量体积浓度为0.5％w/v，碳纳米管的质量体积浓度为0.05％w/v，石墨烯的质量体积浓度为0.05％w/v，聚乙烯吡咯烷酮质量体积浓度为6％w/v。
(3)制备墨水B3
将质量体积浓度为45％w/v的硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀即得到墨水B3，备用。
(4)打印固化
将配制好的墨水A2置入微滴喷射装置中的压电式喷头A4，将配制好的墨水B3置入微滴喷射装置中的压电式喷头B5中；操作微滴喷射装置，先将墨水A2逐滴打印在封装材料8上，形成墨水A打印线路6，然后再将墨水B3按照墨水A2的路径逐滴打印，形成墨水B打印线路7；将上述打印好的封装材料8放入到50℃固化炉内固化1.5h，冷却后得到嵌入式柔性导电线路。
实施例3、
(1)制备柔性衬底1
选取聚酰亚胺即柔性衬底1，将其裁剪为70mm×70mm的规格，备用；
将聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶固化剂以质量比为15:1搅拌均匀，并采用真空抽滤机除去其中的气泡，得到封装材料8，在上述柔性衬底1的上表面浇注封装材料8至完全覆盖；
(2)制备墨水A2
将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯以质量比为350：90：15：8：1溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；在功率为90W的超声振荡仪中对前驱体溶液进行超声2h后即得到墨水A2，备用；其中，抗坏血酸粉末的质量体积浓度为30％w/v，纳米银的质量体积浓度为1％w/v，碳纳米管的质量体积浓度为0.1％w/v，石墨烯的质量体积浓度为0.1％w/v，聚乙烯吡咯烷酮质量体积浓度为10％w/v。
(3)制备墨水B3
将质量体积浓度为60％w/v的硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀即得到墨水B3，备用。
(4)打印固化
将配制好的墨水A2置入微滴喷射装置中的压电式喷头A4，将配制好的墨水B3置入微滴喷射装置中的压电式喷头B5中；操作微滴喷射装置，先将墨水A2逐滴打印在封装材料8上，形成墨水A打印线路6，然后再将墨水B3按照墨水A2的路径逐滴打印，形成墨水B打印线路7；将上述打印好的封装材料8放入到90℃固化炉内固化2h，冷却后得到嵌入式柔性导电线路。
实施例2为本发明的最佳实施例，本发明在柔性衬底1上浇注封装材料8，通过微滴喷射技术将含有纳米银线/碳纳米管/石墨烯/抗坏血酸的微滴喷射打印到未固化的封装材料8中，再将硝酸银溶液微滴喷射打印到纳米银线/碳纳米管/石墨烯/抗坏血酸微滴上，经液相化学反应沉积后，生成的金属银微粒被吸附到纳米银线/碳纳米管/石墨烯的复合网络表面，进而形成复合结构的导电线路，原理如下：
2AgNO3+C6H8O6＝C6H6O6+2HNO3+2Ag
待封装材料8在固化炉中加温固化后，最终形成嵌入到封装材料8内部的柔性导电线路。
本发明一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，将封装材料8直接浇注到柔性衬底1上，便于导电线路与织物有效集成，解决了传统制备工艺中导电线路与织物的集成性差的问题；本发明所制备墨水A2中含有导电增强相即纳米银线、碳纳米管及石墨烯，使得制备的柔性导电线路具有良好导电性能；而且本发明制备的柔性导电线路成本较低，无需对导电线路进行后处理，具有很好的实用价值。
Claims (7)
1.一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备柔性衬底(1)
选取适宜柔性衬底(1)，将其浸渍于体积分数为75％的酒精中，并在超声振荡仪中进行超声处理，采用去离子水对其进行清洗后，室温下静置0.5h～1h，备用；
步骤2、在所述柔性衬底(1)的上表面浇注封装材料(8)至完全覆盖；
所述封装材料(8)由聚二甲基硅氧烷和道康宁184硅橡胶固化剂以质量比为5-15:1搅拌均匀得到；
步骤3、制备墨水A(2)
将抗坏血酸粉末、聚乙烯吡咯烷酮、纳米银线、碳纳米管及石墨烯以质量比为280～350：70～90：5～15：2～8：1溶于去离子水中，搅拌均匀，得到前驱体溶液；在超声振荡仪中对所述前驱体溶液进行超声处理后即得到墨水A(2)，备用；
所述抗坏血酸粉末的质量体积浓度为20％w/v～30％w/v，纳米银线的质量体积浓度为0.1％w/v～1％w/v，碳纳米管的质量体积浓度为0.01％w/v～0.1％w/v，石墨烯的质量体积浓度为0.01％w/v～0.1％w/v，聚乙烯吡咯烷酮质量体积浓度为5％w/v～10％w/v；
步骤4、制备墨水B(3)
将硝酸银粉末溶于去离子水中，搅拌均匀即得到墨水B(3)，备用；
步骤5、取适量步骤3的墨水A(2)和步骤4的墨水B(3)，分别置入微滴喷射装置中的压电式喷头A(4)和压电式喷头B(5)中；
步骤6、操作步骤5的微滴喷射装置，先将墨水A(2)逐滴打印在所述封装材料(8)上，然后再将墨水B(3)按照墨水A(2)的路径逐滴打印；
步骤7、将步骤6打印好的封装材料(8)放入到固化炉内进行固化处理，冷却后得到嵌入式柔性导电线路。
2.如权利要求1所述的一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，步骤1中，所述超声处理的功率为50W～90W、时间10min～20min、频率为40KHz。
3.如权利要求1所述的一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，所述柔性衬底(1)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。
4.如权利要求1所述的一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，步骤3中，所述超声处理的功率为50W～90W、时间为1h～2h。
5.如权利要求1所述的一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，步骤4中，所述硝酸银溶液的质量体积浓度为40％w/v～60％w/v。
6.如权利要求1所述的一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，所述微滴喷射装置为压电式微滴喷射装置。
7.如权利要求1所述的一种嵌入式柔性导电线路的制造方法，其特征在于，步骤7中，所述固化处理的温度为50℃～90℃，时间为1h～2h。
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