CN111072849B - 功能凝胶及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功能凝胶的制备方法，包括制备包括羧基基团的基材，将含有第一功能填料的第二混合液渗透入所述基材的内部，以使所述第一功能填料与所述基材的羧基基团形成化学键，进而所述第一功能填料与至少部分所述基材形成功能元件，所述功能元件的杨氏模量与所述基材的杨氏模量之比为(3～20):1。本发明通过第一功能填料与至少部分所述基材之间形成化学键，使所述第一功能填料与相邻的至少部分所述基材之间具有强烈的相互吸引作用并形成功能元件，功能元件处的局部作用力得到增强，从而得到具有稳定界面结构且能实现抗拉伸的功能凝胶。本发明还提供由该制备方法制得的功能凝胶及其应用。

Description

功能凝胶及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种功能凝胶及其制备方法、应用。
背景技术
生物组织的杨氏模量为1kPa～100kPa，而当前用于制作医疗器件的聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、硅胶橡胶、天然橡胶等聚合物材料的杨氏模量为1MPa～1GPa，其杨氏模量与生物组织难以匹配，易造成生物体的排异反应。
凝胶等功能凝胶在机械和化学特性方面与生物组织具有一定的相似性，因此在植入器件、仿生材料、柔性显示等诸多领域有着广泛的应用。但是，传统的功能凝胶具有柔性衬底以及刚性功能元件，柔性衬底与刚性功能元件之间杨氏模量不适配，且附着性较差，因而易在拉伸或弯曲时导致刚性功能元件从柔性衬底上脱落，或刚性功能元件在拉伸过程中断裂，并造成功能凝胶的破损、失效或不稳定。传统的制备方法无法制得具有较好抗拉伸性能的功能凝胶，且制备方法较为复杂，因而限制了功能凝胶的进一步应用。
发明内容
鉴于此，有必要针对上述技术问题提供一种功能凝胶及其制备方法、应用，所述制备方法步骤简单，且制得的功能凝胶具有较好的抗拉伸性能和较高的稳定性。
根据本发明的一个方面，提供一种功能凝胶的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚合物的单体、交联剂、引发剂分散于第一介质中形成第一混合液，使所述第一混合液在载体上形成预聚物，并对所述预聚物进行固化处理，制得基材，所述基材包括羧基基团；
(2)将第一功能填料分散于第二介质中得到第二混合液，使所述第二混合液渗透入所述基材的内部，以使所述第一功能填料与所述基材的羧基基团形成化学键，进而所述第一功能填料与至少部分所述基材形成功能元件，得到功能凝胶；
其中，所述功能元件的杨氏模量与所述基材的杨氏模量之比为(3～20):1。
根据本发明的另一个方面，提供一种功能凝胶，所述功能凝胶由上述任一项所述的制备方法制成，所述功能凝胶包括所述基材以及容置于所述基材内部的功能元件，所述功能元件的杨氏模量与所述基材的杨氏模量之比为(3～20):1。
根据本发明的再一个方面，提供一种上述的功能凝胶在柔性集成电路中的应用。
与现有技术相比，本发明的所述制备方法的有益效果在于：
通过第一功能填料与至少部分所述基材之间形成化学键，使所述第一功能填料与相邻的至少部分所述基材之间具有强烈的相互吸引作用并形成功能元件，功能元件处的局部作用力得到增强，从而得到具有稳定界面结构且能实现抗拉伸的功能凝胶，即使在大拉伸率下，基材内部的功能元件也不会发生断裂或破损，从而保证功能元件的使用稳定性。
此外，所述制备方法能一次成型制备功能凝胶，制备过程快速便捷，可以按需设计功能元件在基材内部的形状及性能，能极大地缩短不同功能凝胶的制备周期，且该功能凝胶能广泛应用于柔性集成电路、柔性传感器、生物医学、仿生材料等不同的领域。
本发明的功能凝胶，由于基材具有柔性，能实现良好的拉伸、弯曲和弯折性能，功能元件容置于基材内部，即使在大拉伸率时也不会发生断裂或变形，以保证该功能凝胶在使用过程中的功能有效性，该功能凝胶能够保持良好的耐弯折、抗拉伸和抗扭曲性能，兼具较高的机械性能和较大的拉伸率。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例提供的制备基材的方法示意图；
图2为本发明其中一个实施例提供的制备功能凝胶的方法示意图；
图3为本发明其中一个实施例提供的功能凝胶的结构示意图；
图4为本发明其中一实施例提供的功能凝胶的制备流程图；
图5为本发明另一实施例提供的功能凝胶的结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的功能凝胶的结构示意图。
图中：100、功能凝胶；10、基材；11、连接部；20、功能元件；30、连接元件。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请一并参阅图1至图4，图1为本发明其中一个实施例提供的制备基材10的方法示意图；图2为本发明其中一个实施例提供的制备功能凝胶100的方法示意图；图3为本发明其中一个实施例提供的功能凝胶100的结构示意图；图4为本发明其中一实施例提供的功能凝胶100的制备流程图。
所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚合物的单体、交联剂、引发剂分散于第一介质中形成第一混合液，使所述第一混合液在载体上形成预聚物，并对所述预聚物进行固化处理，制得基材10，所述基材10内包括羧基基团；
(2)将第一功能填料分散于第二介质中得到第二混合液，再将所述第二混合液渗透入所述基材10的内部，以使所述第一功能填料与所述基材10的羧基基团形成化学键，进而所述第一功能填料与至少部分所述基材10形成功能元件20，得到功能凝胶100。
其中，所述功能元件20的杨氏模量与所述基材10的杨氏模量之比为(3～20):1。
上述基材10优选为凝胶，聚合物的单体在交联剂和引发剂的作用下发生聚合反应并形成具有空间网络结构的凝胶，第一介质为填充于该空间网络结构中的流体介质，形成的基材10具有一定的机械性能和柔性。本发明为了使第二混合液能够更好地渗透至基材10内部，第一介质和第二介质均优选为但不局限于具有极性的溶剂，比如水，对应地，基材10为水凝胶。
通过第一功能填料与至少部分所述基材10之间形成化学键，使所述第一功能填料与相邻的至少部分所述基材10之间具有强烈的相互吸引作用并形成功能元件20，功能元件20处的局部作用力得到增强，从而得到具有稳定界面结构且能实现抗拉伸的功能凝胶100，且该功能凝胶100内的杨氏模量与生物体软组织适配，特别用于可植入器件时，与生物体软组织的杨氏模量匹配度较好，不会造成生物体的排异反应。
此外，所述制备方法能一次成型制备功能凝胶100，制备过程快速便捷，可以按需设计功能元件20在基材10内部的形状及性能，能极大地缩短不同功能凝胶100的制备周期，且该功能凝胶100能广泛应用于柔性集成电路、柔性传感器、生物医学、仿生材料等不同的领域。
应予说明，该功能元件20所能实现的功能可以是较高的机械性能，或者是较高的导电性，还可以具有其它功能，比如导磁、导热、催化等。该功能元件20本身具有高机械强度，还可以具有其它功能，或者还可以在第一混合液中添加具有其它功能的填料来实现两种及两种以上的功能。高机械强度使得功能元件20具有抗拉伸、抗弯曲和高稳定性的特点，从而具有更为广泛的应用。
进一步地，所述化学键包括离子键、氢键中的至少一种。第二混合液在基材10内部形成功能元件20，需要第二混合液在基材10内部具有较好的相融性，从而使第一功能填料能够通过离子运动与基材10的羧基基团反应，且化学键的相互作用使得功能元件20本身即具有较高的杨氏模量，并抗拉伸，且由于离子键及/或氢键均为可逆键，功能元件20即使在较大拉伸率时断开也能够快速的重新连接，因而具有较好的抗拉伸性能。
进一步地，所述离子键包括COO-/Fe3+、COO-/Ca2+中的至少一种，所述氢键包括COOH/BO3 3-。该离子键和氢键可以只存在一种，也可以同时存在。所述第一功能填料提供Fe3 +、Ca2+、BO3 3-，所述基材10由所述聚合物的单体聚合而成，并提供羧基。由于三价铁离子和二价钙离子为多价离子，能与羧基之间发生正负电荷吸引并形成离子键，从而使所述第一功能填料与相邻的至少部分所述基材10之间具有强烈的相互吸引作用并形成功能元件20，功能元件处20的局部作用力得到增强，而硼酸根离子能与羧基之间形成氢键，进一步地，三价铁离子和二价钙离子具有离子运动还能够同时实现导电功能。
应予说明，离子键的键能和稳定性强于氢键，离子键的存在能够较好地提升功能元件20处的相互吸引力。在其中一优选实施方式中，离子键作为主要的局部增强键，氢键则作为辅助的局部增强键。
第一功能填料分散于第二介质中用于连接并构筑功能网络，所述第一功能填料包括氯化铁、硝酸铁、乙酰丙酮铁、硫氰化铁、硫酸铁、硫酸钙、氯化钙、硼砂、硼酸、苯硼酸中的至少一种，所述第二介质包括水。
进一步地，所述第二混合液中，所述第一功能填料与所述第二介质的质量比为(20～40):(60～80)。
应予说明，氯化铁、硝酸铁、乙酰丙酮铁、硫氰化铁、硫酸铁、硫酸钙、氯化钙作为第一功能填料时，既能够通过离子键增强功能元件20的机械性能，也能因三价铁离子和二价钙离子具有离子运动以同时实现导电功能。
硼砂、硼酸、苯硼酸作为第一功能填料时，能够通过氢键增强功能元件20的机械性能，还可以根据需要增加具有其它功能的填料以赋予功能元件20其它功能，比如导电功能或其它。
当需要导电功能时，如果第一功能填料不具有导电性，可以通过添加具有较好导电性能的第二功能填料，以使基材10内的功能元件20实现导电性。进一步地，所述第二混合液中还包括第二功能填料，所述第二功能填料包括氯化钠、氯化锂、氯化钾中的至少一种。其中，钠离子、氯离子、钾离子易分散于第二介质并能够在基材10的空间网络结构中构筑导电网络。由于第一功能填料和第二功能填料均具有较好的水溶性使得第二混合液具有一定的流动性，在打印时不易堵塞打印机喷头。
应予说明，功能元件20可以呈现为电路，其形状、大小、以及电路的长宽高均可以根据实际需要自由进行设计。且电路图案不局限于直线型一种，还可以根据需要设计成曲线型、折线形、方波形、波形、圆形、椭圆形、环形等各种形状，或者是以上各形状的任意组合。该功能元件20不局限于平面，还可以为曲面或3D结构。
进一步地，所述第二混合液中，所述第一功能填料、所述第二功能填料及所述第二介质的质量比为(20～40):(10～20):(40～70)。
为了使聚合物的单体更好地分散于第一介质中，所述第一混合液中，所述聚合物的单体优选为具有极性的水溶性单体，包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种。
相应地，所述交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的至少一种。所述引发剂包括2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(1173)、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(2959)、1,3-丙酮二羧酸、过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。其中，2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、1,3-丙酮二羧酸为光引发剂，过硫酸铵、过硫酸钾为热引发剂。
在其中一个实施方式中，所述第一混合液中还包括增稠剂，以增加第一混合液的粘度，使其更容易成型并按需要进行形状的设计，所述增稠剂的分子量为2000～20000。该增稠剂的分子量越高，第一混合液的粘度将越大，所制得的基材10的机械性能和结构稳定性也越高，从而能够在固化以后提供功能凝胶100所需要的机械性能。
为了使增稠剂更好地分散于第一介质中，所述增稠剂也优选为具有极性的水溶性聚合物，并包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、琼脂、壳聚糖、聚乙二醇、透明质酸、海藻酸钠中的至少一种。可以理解的是，在不影响本发明效果的前提下，增稠剂也可以为其它具有极性的聚合物，本发明对其不予限制。
所述第一混合液中，所述聚合物的单体、所述交联剂、所述引发剂、所述增稠剂及所述第一介质的质量比为(10～30):(0.1～1.5):(0.1～1):(0.5～5):(62.5～89.3)。
优选地，所述第一混合液还可以包括0.01～0.1重量份的固化促进剂，以促进聚合物的单体的凝胶化反应，所述固化促进剂优选为四甲基乙二胺(TEMED)。相应地，所述第一混合液中，所述聚合物的单体、所述交联剂、所述引发剂、所述增稠剂、所述固化促进剂及所述第一介质的质量比为(10～30):(0.1～1.5):(0.1～1):(0.5～5):(0.01～0.1)(62.4～89.29)。
在其中一实施方式中，步骤(1)中，使所述第一混合液在载体上形成预聚物的方法包括第一打印。可以理解的是，还能通过喷涂、旋涂或涂布来实现预聚物在载体上的形成。
考虑到不同的打印参数可以改变功能凝胶100的产品性能，比如打印速度不同，功能凝胶100的成型速度也不同，打印气压不同，打印机喷头处溶剂的喷出速度也不同。因此，在实际制备过程中，可以通过调节打印速度和打印气压来对最终制得的基材10进行调节，所述第一打印的速度为0.5mm/s～100mm/s，所述第一打印的气压为0.5psi～50psi，所述第一打印的喷嘴的直径为2mm～10mm。
该预聚物最初为液态，通过固化处理以后变成凝胶态，并能始终保持凝胶态结构。该固化处理根据引发剂为光引发剂或热引发剂可分为光固化或热固化。可以理解，在第一混合液的固化成型过程中，可通过改变光线的波长、光线照射时间或强度、加热温度、加热时长来控制基材10中的基团的聚合交联程度，从而控制基材10的机械强度。具体地，所述固化处理包括：
光固化：在200nm～400nm的波段范围内光照5s～300s，且所述光照的光强度为10mW/cm2～50mW/cm2；或者，
热固化：在40℃～60℃的温度范围内加热5min～60min。
进一步地，步骤(2)中，使所述第二混合液渗透入所述基材10的内部的方法包括第二打印，然后静置2min～5min，以使所述第一功能填料与相邻的至少部分所述基材10形成功能元件20。
考虑到不同的打印参数可以改变功能凝胶100的产品性能，比如打印速度不同，功能凝胶100的成型速度也不同，打印气压不同，打印机喷头处溶剂的喷出速度也不同。因此，在实际制备过程中，可以通过调节打印速度和打印气压来对最终制得的功能元件20进行调节，所述第二打印的速度为0.5mm/s～100mm/s，所述第二打印的气压为0.5psi～20psi，所述第二打印的喷嘴的直径为0.1mm～2mm。
以上通过3D打印的方式来制备基材10以及功能元件20，可以分别对基材10以及功能元件20按需设计，且可以实现微米或纳米级别的精度控制。本发明通过3D打印的方式一次成型制备功能凝胶100，制备过程快速便捷，可以按需设计功能凝胶100的形状及性能，能极大地缩短不同功能凝胶100的制备周期。
请一并参阅图5，图5为本发明其中一个实施例提供的具有双层结构的功能凝胶100的结构示意图，其制备方法还包括至少一次地重复步骤(1)和步骤(2)，并制得具有至少一层基材10的功能凝胶100；其中，步骤(1)还包括在所述基材10上制备连接部11，步骤(2)还包括使所述第二混合液渗透入所述连接部11内，所述第一功能填料与所述连接部11的羧基基团形成化学键以使所述第一功能填料能与至少部分所述连接部11形成连接元件30，相邻的两层所述基材10之间通过所述连接部11相连，相邻层的所述功能元件20之间通过所述连接元件30相连。
应予说明，对步骤(1)和步骤(2)的至少一次重复，各步骤(1)和步骤(2)可以采用相同的原料或参数，也可以采用不同的原料或参数，不发明对其不予限制。
在其中一个实施例中，该连接部11凸设于其中一层基材10的表面并与该基材10一体成型设置，另一层基材10则开设有与该连接部11适配的通孔，以使相邻层的基材10之间插接固定。
可以理解的是，可以通过多次重复步骤(1)和步骤(2)以制得具有多层基材10的功能凝胶100。在其它实施例中，该功能凝胶100还可以包括三层以上的基材10。参阅图6所示，图6为本发明其中一个实施例提供的具有三层结构的功能凝胶100的结构示意图。本发明对最终制得的功能凝胶100的层数以及功能元件20的呈现方式不予限制。
本发明的一个优选实施例还提供一种功能凝胶100，所述功能凝胶100由上述任一项所述的制备方法制成，所述功能凝胶100包括所述基材10以及容置于所述基材10内部的功能元件20，所述功能元件20的杨氏模量与所述基材10的杨氏模量之比为(3～20):1。
所述功能凝胶100可以为单层结构，也可以为多层结构。当所述功能凝胶100为多层结构时，各层的基材10之间通过连接部11予以连接，各层的基材10内容置有功能元件20，各功能元件20之间通过连接元件30予以连接，且各功能元件20之间具有协同功能。
本发明的一个优选实施例还提供一种上述的功能凝胶100在柔性集成电路中的应用。该功能凝胶100中的功能元件20兼具高机械强度以及导电功能，该导电功能可以由第二混合液中的第一功能填料单独提供，也可以在第二混合液中添加具有导电性的第二功能填料来提供。在制备得到能够导电的功能凝胶100以后，将该功能凝胶100与外部电子器件或电源电连接，并形成电回路，电子器件或导线可以预埋或插入到功能凝胶100的内部。
下文中，为了更好的理解本发明，列举了优选实施例与对比实施例。不过，以下实施例仅用于说明本发明，而并不仅限于此或受其所限。
实施例1：
将1.5重量份的聚丙烯酸(分子量为5000)加入87.96重量份的去离子水中混合均匀，并依次加入10重量份的丙烯酰胺、0.3重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.2重量份的1,3-丙酮二羧酸(光引发剂)以及0.04重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液，并装入棕色避光的第一打印针筒内保存备用。
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度30mm/s，第一打印的气压20psi，第一打印的喷头尺寸10mm。
对预聚物进行固化处理，光照条件为：紫外光波段365nm，光强度30mW/cm2，光照时间100s，得到基材。
将25重量份的氯化铁加入75重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
将第二打印针筒置入打印机头进行第二打印，按照电路设计打印第二混合液，第二打印的速度10mm/s，第二打印的气压范围为10psi，第二打印的喷头尺寸范围为0.2mm。打印完成后，室温放置5分钟，第二混合液渗透进入基材内，得到局部增强并导电的柔性集成电路板。
通过手持式四探针电阻仪测试该柔性集成电路板的表面电阻，通过万能材料试验机测试柔性集成电路板在拉伸变形下的性能变化，通过杨氏模量测验仪检测该柔性集成电路板的杨氏模量。
经测试，该基材的杨氏模量为40Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为4.8Ω/sq，最大拉伸率为350％，其功能元件的杨氏模量为400KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为4.9Ω/sq。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
在制得单层柔性集成电路板后，进行第二基材的打印以及第二功能元件的打印，得到具有双层结构的柔性集成电路板。
经测试，该基材的杨氏模量为45Kpa，该双层柔性集成电路板的电阻为5Ω/sq，最大拉伸率为300％，其功能元件的杨氏模量为410KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为5.1Ω/sq。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
在制得单层柔性集成电路板后，进行第二基材的打印以及第二功能元件的打印，然后进行第三基材的打印以及第三功能元件的打印，得到具有三层结构的柔性集成电路板。
经测试，该基材的杨氏模量为49Kpa，该三层柔性集成电路板的电阻为6Ω/sq，最大拉伸率为280％，其功能元件的杨氏模量为420KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为6.1Ω/sq。
实施例4：
将0.6重量份的透明质酸(分子量为10000)加入83.23重量份的去离子水中混合均匀，并依次加入15重量份的丙烯酸、0.15重量份的过硫酸钾(热引发剂)、0.02重量份的四甲基乙二胺以及1重量份的聚乙二醇二丙烯酸酯，搅拌均匀，得到第一混合液，并装入棕色避光的第一打印针筒内保存备用。
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度70mm/s，第一打印的气压5psi，第一打印的喷头尺寸8mm。
对预聚物进行固化处理，加热条件为：加热温度50℃，加热时间50分钟，得到基材。
将30重量份的硝酸铁加入70重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
将第二打印针筒置入打印机头进行第二打印，按照电路设计打印第二混合液，第二打印的速度范围为20mm/s，第二打印的气压范围为16psi，第二打印的喷头尺寸范围为1mm。打印完成后，室温放置2分钟，第二混合液渗透进入基材内，得到局部增强并导电的柔性集成电路板。
在制得单层柔性集成电路板后，进行第二基材的打印以及第二功能元件的打印，得到具有双层结构的柔性集成电路板。
经测试，该基材的杨氏模量为60Kpa，该双层柔性集成电路板的电阻为3Ω/sq，最大拉伸率为200％，其功能元件的杨氏模量为500KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为3.2Ω/sq。
实施例5：
本实施例与实施例4基本相同，不同之处仅在于：
将0.8重量份的海藻酸钠(分子量为5000)加入78.44重量份的去离子水中混合均匀，并依次加入20重量份的丙烯酰胺、0.3重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.4重量份的过硫酸铵(热引发剂)以及0.6重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液；
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度0.5mm/s，第一打印的气压10psi，第一打印的喷头尺寸2mm。
对预聚物进行固化处理，加热条件为：加热温度60℃，加热时间5分钟，得到基材。
将30重量份的氯化钙、18重量份的氯化锂加入52重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
将第二打印针筒置入打印机头进行第二打印，按照电路设计打印第二混合液，第二打印的速度范围为0.5mm/s，第二打印的气压范围为0.5psi，第二打印的喷头尺寸范围为0.1mm。打印完成后，室温放置2分钟，第二混合液渗透进入基材内，得到局部增强并导电的柔性集成电路板。
双层柔性集成电路板的制备方法与实施例3基本相同，经测试，该基材的杨氏模量为30Kpa，该双层柔性集成电路板的电阻为7.5Ω/sq，最大拉伸率为400％，其功能元件的杨氏模量为240KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为7.9Ω/sq。
实施例6：
本实施例与实施例4基本相同，不同之处仅在于：
将2.5重量份的聚乙烯醇(分子量为5000)加入72.13重量份的去离子水中混合均匀，并依次加入24重量份的N-异丙基丙烯酰胺、0.9重量份的聚乙二醇二丙烯酸酯、0.4重量份的过硫酸铵(热引发剂)以及0.07重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液；
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度100mm/s，第一打印的气压20psi，第一打印的喷头尺寸2mm。
对预聚物进行固化处理，加热条件为：加热温度40℃，加热时间60分钟，得到基材。
将20重量份的硼砂、15重量份的氯化钾加入65重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
将第二打印针筒置入打印机头进行第二打印，按照电路设计打印第二混合液，第二打印的速度范围为100mm/s，第二打印的气压范围为20psi，第二打印的喷头尺寸范围为2mm。打印完成后，室温放置2分钟，第二混合液渗透进入基材内，得到局部增强并导电的柔性集成电路板。
双层柔性集成电路板的制备方法与实施例3基本相同，经测试，该基材的杨氏模量为50Kpa，该双层柔性集成电路板的电阻为6.8Ω/sq，最大拉伸率为500％，其功能元件的杨氏模量为150KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为7.2Ω/sq。
实施例7：
本实施例与实施例4基本相同，不同之处仅在于：
将5重量份的琼脂(分子量为2000)加入78.89重量份的去离子水中，并依次加入15重量份的甲基丙烯酸、0.1重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、1重量份的2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦以及0.01重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液；
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度200mm/s，第一打印的气压50psi，第一打印的喷头尺寸5mm。
对预聚物进行固化处理，在200nm的波段范围内光照300s，且所述光照的光强度为10mW/cm2，得到基材。
将20重量份的乙酰丙酮铁加入80重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
经测试，该基材的杨氏模量为25Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为6Ω/sq，最大拉伸率为260％，其功能元件的杨氏模量为310KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为6.3Ω/sq。
实施例8：
本实施例与实施例4基本相同，不同之处仅在于：
将5重量份的壳聚糖(分子量为20000)加入62.5重量份的去离子水中，并依次加入30重量份的甲基丙烯酸、1.5重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以及1重量份的2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮，搅拌均匀，得到第一混合液；
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度200mm/s，第一打印的气压0.50psi，第一打印的喷头尺寸5mm。
对预聚物进行固化处理，在400nm的波段范围内光照5s，且所述光照的光强度为50mW/cm2，得到基材。
将40重量份的硫氰化铁加入60重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
经测试，该基材的杨氏模量为70Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为2.6Ω/sq，最大拉伸率为180％，其功能元件的杨氏模量为580KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为2.7Ω/sq。
实施例9：
本实施例与实施例4基本相同，不同之处仅在于：
将0.5重量份的聚乙二醇(分子量为15000)加入89.3重量份的去离子水中，并依次加入10重量份的甲基丙烯酸、0.1重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以及0.1重量份的2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，搅拌均匀，得到第一混合液；
将20重量份的硫酸铁、20重量份的氯化钠加入60重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液；
经测试，该基材的杨氏模量为19Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为5.4Ω/sq，最大拉伸率为270％，其功能元件的杨氏模量为300KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为5.6Ω/sq。
实施例10：
本实施例与实施例9基本相同，不同之处仅在于：
将0.5重量份的聚乙二醇(分子量为15000)加入89.2重量份的去离子水中，并依次加入10重量份的甲基丙烯酸、0.1重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺以及0.1重量份的2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮以及0.1重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液；
将40重量份的硫酸钙、10重量份的氯化钠加入50重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液；
经测试，该基材的杨氏模量为20Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为8Ω/sq，最大拉伸率为278％，其功能元件的杨氏模量为260KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为8.3Ω/sq。
实施例11：
本实施例与实施例9基本相同，不同之处仅在于：
将30重量份的硼酸、30重量份的氯化钠加入40重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液；
经测试，该基材的杨氏模量为18Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为10Ω/sq，最大拉伸率为470％，其功能元件的杨氏模量为180KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为10.3Ω/sq。
实施例12：
本实施例与实施例9基本相同，不同之处仅在于：
将25重量份的苯硼酸、10重量份的氯化钠加入65重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液；
经测试，该基材的杨氏模量为8Kpa，该单层柔性集成电路板的电阻为30Ω/sq，最大拉伸率为560％，其功能元件的杨氏模量为160KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为31Ω/sq。
对比例1：
将1.5重量份的聚丙烯酸(分子量为5000)加入87.96重量份的去离子水中混合均匀，并依次加入10重量份的丙烯酰胺、0.3重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.2重量份的1,3-丙酮二羧酸(光引发剂)以及0.04重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液，并装入棕色避光的第一打印针筒内保存备用。
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度30mm/s，第一打印的气压20psi，第一打印的喷头尺寸10mm。
对预聚物进行固化处理，光照条件为：紫外光波段365nm，光强度30mW/cm2，光照时间100s，得到基材。
经测试，该基材的杨氏模量为40Kpa，该基材的电阻几乎为0Ω/sq，最大拉伸率为700％。
对比例2：
将1.5重量份的聚丙烯酸(分子量为5000)加入87.96重量份的去离子水中混合均匀，并依次加入10重量份的丙烯酰胺、0.3重量份的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.2重量份的1,3-丙酮二羧酸(光引发剂)以及0.04重量份的四甲基乙二胺，搅拌均匀，得到第一混合液，并装入棕色避光的第一打印针筒内保存备用。
将第一打印针筒置入打印机头进行第一打印，使第一混合液在载体上形成预聚物，第一打印的速度30mm/s，第一打印的气压20psi，第一打印的喷头尺寸10mm。
对预聚物进行固化处理，光照条件为：紫外光波段365nm，光强度30mW/cm2，光照时间100s，得到基材。
将25重量份的氯化钠加入75重量份的去离子水中混合均匀，得到第二混合液，并装入第二打印针筒内保存备用。
将第二打印针筒置入打印机头进行第二打印，按照电路设计打印第二混合液，第二打印的速度10mm/s，第二打印的气压范围为10psi，第二打印的喷头尺寸范围为0.2mm。打印完成后，室温放置5分钟，第二混合液渗透进入基材内，得到功能凝胶。
经测试，该基材的杨氏模量为40KPa，该功能凝胶的电阻为20Ω/sq，最大拉伸率为680％，其功能元件的杨氏模量为40KPa，在拉伸率为断裂拉伸率的80％时检测的电阻值为21Ω/sq。
具体地，以上实施例及对比例的检测结果如以下表1表示：
表1
Figure BDA0002338906140000191
Figure BDA0002338906140000201
根据以上实验结果可知，本发明制备的功能凝胶具有较好的导电性能以及抗拉伸率，基材内形成功能元件以后具有较好的机械性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚合物的单体、交联剂、引发剂、增稠剂分散于第一介质中形成第一混合液，所述聚合物的单体、所述交联剂、所述引发剂、所述增稠剂及所述第一介质的质量比为(10～30):(0.1～1.5):(0.1～1):(0.5～5):(62.5～89.3)，使所述第一混合液在载体上形成预聚物，并对所述预聚物进行固化处理，制得基材，所述基材包括羧基基团；
(2)将第一功能填料、具有导电性能的第二功能填料分散于第二介质中得到第二混合液，所述第一功能填料、所述第二功能填料及所述第二介质的质量比为(20～40):(10～20):(40～70)，再将所述第二混合液渗透入所述基材的内部，以使所述第一功能填料与所述基材的羧基基团形成化学键，进而所述第一功能填料能与至少部分所述基材形成功能元件，得到功能凝胶；
其中，所述功能元件的杨氏模量与所述基材的杨氏模量之比为(3～20):1；
步骤(1)中，使所述第一混合液在载体上形成预聚物的方法包括第一打印，其中，所述第一打印的速度为0.5mm/s～100mm/s，所述第一打印的气压为0.5psi～50psi，所述第一打印的喷嘴的直径为2mm～10mm；
步骤(2)中，使所述第二混合液渗透入所述基材的内部的方法包括第二打印，所述第二打印的速度为0.5mm/s～100mm/s，所述第二打印的气压为0.5psi～20psi，所述第二打印的喷嘴的直径为0.1mm～2mm。
2.根据权利要求1所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述化学键包括离子键、氢键中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述离子键包括COO-/Fe3 +、COO-/Ca2+中的至少一种，所述氢键包括COOH/BO3 3-。
4.根据权利要求1所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述第一功能填料包括氯化铁、硝酸铁、乙酰丙酮铁、硫氰化铁、硫酸铁、硫酸钙、氯化钙、硼砂、硼酸、苯硼酸中的至少一种，所述第二介质包括水。
5.根据权利要求4所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述第二功能填料包括氯化钠、氯化锂、氯化钾中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述第一混合液中，所述聚合物的单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、N-异丙基丙烯酰胺中的至少一种；及/或，
所述交联剂包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的至少一种；及/或，
所述引发剂包括2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、1,3-丙酮二羧酸、过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述第一混合液中还包括固化促进剂。
8.根据权利要求1所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述增稠剂的分子量为2000～20000。
9.根据权利要求7所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述增稠剂包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、琼脂、壳聚糖、聚乙二醇、透明质酸、海藻酸钠中的至少一种；及/或，
所述第一混合液中，所述聚合物的单体、所述交联剂、所述引发剂、所述增稠剂、所述固化促进剂及所述第一介质的质量比为(10～30):(0.1～1.5):(0.1～1):(0.5～5):(0.01～0.1):(62.4～89.29)。
10.根据权利要求1所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，所述固化处理包括：
在200nm～400nm的波段范围内光照5s～300s，且所述光照的光强度为10mW/cm2～50mW/cm2；或者，
在40℃～60℃的温度范围内加热5min～60min。
11.根据权利要求1～10任一项所述的功能凝胶的制备方法，其特征在于，还包括：至少一次地重复步骤(1)和步骤(2)，并制得具有至少一层基材的功能凝胶；其中，步骤(1)还包括在所述基材上制备连接部，步骤(2)还包括使所述第二混合液渗透入所述连接部内，所述第一功能填料与所述连接部的羧基基团形成化学键，以使所述第一功能填料能与至少部分所述连接部形成连接元件，相邻的两层所述基材之间通过所述连接部相连，相邻层的所述功能元件之间通过所述连接元件相连。
12.一种功能凝胶，其特征在于，所述功能凝胶由权利要求1～11任一项所述的制备方法制成，所述功能凝胶包括所述基材以及容置于所述基材内部的功能元件，所述功能元件的杨氏模量与所述基材的杨氏模量之比为(3～20):1。
13.根据权利要求12所述的功能凝胶，其特征在于，所述基材的层数为至少两层，所述功能凝胶还包括连接部，所述连接部用以连接相邻的两层所述基材，所述连接部内容置有连接元件，所述连接元件用以连接相邻层的所述功能元件。
14.一种如权利要求12或13所述的功能凝胶在柔性集成电路中的应用。
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