CN111479396B - 一种织物基高导电性线路的制备方法 - Google Patents

一种织物基高导电性线路的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种织物基高导电性线路的制备方法,首先,制备金属盐溶液、前驱体溶液,选取织物基底、金属薄膜衬底;将织物基底放置在金属薄膜衬底上,取适量前驱体溶液将织物基底完全润湿,再放置到运动平台上,备用;取适量金属盐溶液置入微滴喷射装置的试管中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液逐滴打印在织物基底表面,打印多层后形成导电线路;采用无水乙醇将导电线路进行清洗后,置于加热炉内进行加热固化处理,冷却后得到织物基高导电性线路。本发明一种织物基高导电性线路的制备方法,解决了现有的柔性导电线路的连续性差、易脱落、导电性差的问题。

Description

一种织物基高导电性线路的制备方法
技术领域
本发明属于柔性可穿戴电子器件技术领域,具体涉及一种织物基高导电性线路的制备方法。
背景技术
智能纺织品是一种将微电子技术与纺织品结合的新型纺织品,其中,导电线路是连接智能纺织品各功能元件的关键。目前多采用微滴喷射技术制备柔性导电线路,该方法是采用微滴喷射系统将金属盐溶液与还原剂溶液沉积在指定基板上,金属盐溶液与还原剂溶液在指定基板上发生氧化还原反应后生成导电线路,其中金属盐溶液为硝酸银、硫酸铜等,还原剂溶液是前驱体溶液(如抗坏血酸、水合肼等)。在制备导电线路的过程中需要对织物纺织品进行表面处理,以减少金属盐溶液与还原剂溶液在织物内部的渗透,但是制备的导电线路的连续性差,易脱落、导电性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种织物基高导电性线路的制备方法,解决了现有的柔性导电线路的连续性差、易脱落、导电性差的问题。
本发明所采用的一种技术方案是,一种织物基高导电性线路的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、金属盐溶液的配制
将物料A溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到金属盐溶液,备用;
步骤2、前驱体溶液的配制
将物料B溶于去离子水,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到前驱体溶液,密封备用;
步骤3、选取适宜织物基底,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干,备用;
步骤4、裁剪适宜尺寸的金属薄膜衬底,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物后备用;
步骤5、将织物基底放置在金属薄膜衬底上,取适量前驱体溶液将织物基底完全润湿,再放置到运动平台上,备用;
步骤6、取适量金属盐溶液置入微滴喷射装置的试管中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液逐滴打印在步骤5中的织物基底表面,打印多层后形成导电线路;
步骤7、采用无水乙醇将导电线路进行清洗后,置于加热炉内进行加热固化处理,冷却后得到织物基高导电性线路。
本发明的特点还在于:
织物基底为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种。
步骤1中,物料A为硝酸银粉末、银氨粉末、月桂酸银粉末、柠檬酸银粉末中的任意一种,金属盐溶液的质量体积浓度为20%w/v~80%w/v。
步骤2中,物料B为抗坏血酸、葡萄糖、水合肼,乙二醇中的任意一种,前驱体溶液的质量体积浓度为10%w/v~30%w/v。
步骤4中,金属薄膜衬底为铜箔、铜箔胶带、铜箔纸、铜箔带、铜片中的任意一种。
微滴喷射系统为气动式微滴按需喷射系统。
步骤5中,织物基底的带液率为80%~120%。
步骤6中,在织物基底上打印7~10层金属盐溶液。
步骤7中,加热固化处理的温度为50℃~100℃,时间为10~30min。
本发明的有益效果是:
本发明一种织物基高导电性线路的制备方法,通过在前驱体溶液的反应体系中加入金属薄膜衬底,使金属盐溶液与前驱体溶液发生氧化还原反应,再与金属薄膜衬底的金属单质发生置换反应,两种反应结合使金属薄膜衬底与氧化还原生成的金属单质构成原电池,从而提高反应效率和导电性,增强了金属单质与织物的结合性;
本发明一种织物基高导电性线路的制备方法,充分利用织物的多孔结构,使氧化还原反应生成的金属单质与织物下层放置的金属薄膜衬底构成原电池,金属盐溶液中的金属阳离子在生成的金属单质定向聚集并析出,提高了反应体系的反应效率,最终制备出织物基导电线路,同时也提高了其导电性;
本发明一种织物基高导电性线路的制备方法,改善了传统柔性导电线路制备工艺复杂,使析出的金属单质与织物纤维的结合更为致密,有效提高了柔性导电线路的电学性能,且成本极低,克服了现有柔性导电线路电学性能差、连续性差、易脱落的问题,具有实用价值。
附图说明
图1是本发明一种织物基高导电性线路的制备流程图;
图2是本发明一种织物基高导电性线路的示意图;
图3是本发明一种织物基高导电性线路的扫描电镜图;
图4是基于金属盐溶液不同打印层数成形的织物基高导电性线路的方阻图;
图5是基于不同织物基底打印成形织物基高导电性线路的方阻图。
图中,1.金属盐溶液,2.试管,3.金属盐溶液打印线路,4.织物基底,5.金属薄膜衬底,6.运动平台,7.导电线路。
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。
本发明涉及一种织物基高导电性线路的制备方法,如图1所示,具体按照以下步骤实施:
步骤1、金属盐溶液1的配制
将物料A溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到金属盐溶液1,备用;
其中,物料A为硝酸银粉末、银氨粉末、月桂酸银粉末、柠檬酸银粉末中的任意一种,金属盐溶液1的质量体积浓度为20%w/v~80%w/v;
步骤2、前驱体溶液的配制
将物料B溶于去离子水,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到前驱体溶液,密封备用;
其中,物料B为抗坏血酸、葡萄糖、水合肼,乙二醇中的任意一种,前驱体溶液的质量体积浓度为10%w/v~30%w/v;
步骤3、选取适宜织物基底4,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干,备用;其中,织物基底4为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种;
步骤4、裁剪适宜尺寸的金属薄膜衬底5,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物后备用;
其中,金属薄膜衬底5为铜箔、铜箔胶带、铜箔纸、铜箔带、铜片中的任意一种;
步骤5、将织物基底4放置在金属薄膜衬底5上,取适量前驱体溶液将织物基底4完全润湿,再放置到运动平台6上,备用;
其中,织物基底4的带液率为80%~120%;
步骤6、取适量金属盐溶液1置入微滴喷射装置的试管2中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液1逐滴打印在步骤5中的织物基底4表面,打印多层后形成导电线路7;
其中,微滴喷射系统为气动式微滴按需喷射系统;在织物基底4上打印7~10层金属盐溶液1。
步骤7、采用无水乙醇将导电线路7进行清洗后,置于加热炉内进行加热固化处理,冷却后得到织物基高导电性线路,如图2所示;
其中,加热固化处理的温度为50℃~100℃,时间为10~30min。
实施例1
(1)制备金属盐溶液1
将硝酸银粉末溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到质量体积浓度为20%w/v的金属盐溶液1,备用;
(2)制备前驱体溶液
将抗坏血酸溶于去离子水中,搅拌均匀后用滤纸过滤,得到质量体积浓度为10%w/v的前驱体溶液,密封备用;
(3)前处理
选取平纹织物,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干;选取铜箔纸,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物;将平纹织物放置在铜箔纸上,取适量前驱体溶液将平纹织物完全润湿,再放置到运动平台6上,平纹织物的带液率为80%;
(4)打印固化
取适量金属盐溶液1置入微滴喷射装置的试管2中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液1逐滴打印在上述平纹织物表面,打印7层后形成导电线路7;采用无水乙醇将导电线路7进行清洗后,置于加热炉内在50℃下烘干30min,冷却后得到织物基高导电性线路。
实施例2
(1)制备金属盐溶液1
将银氨粉末溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到质量体积浓度为50%w/v的金属盐溶液1,备用;
(2)制备前驱体溶液
将水合肼溶于去离子水中,搅拌均匀后用滤纸过滤,得到质量体积浓度为20%w/v的前驱体溶液,密封备用;
(3)前处理
选取斜纹织物,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干;选取铜片,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物;将斜纹织物放置在铜片上,取适量前驱体溶液将斜纹织物完全润湿,再放置到运动平台6上,斜纹织物的带液率为100%;
(4)打印固化
取适量金属盐溶液1置入微滴喷射装置的试管2中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液1逐滴打印在上述斜纹织物表面,打印8层后形成导电线路7;采用无水乙醇将导电线路7进行清洗后,置于加热炉内在75℃下烘干20min,冷却后得到织物基高导电性线路。
实施例3
(1)制备金属盐溶液1
将硝酸银粉末溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到质量体积浓度为80%w/v的金属盐溶液1,备用;
(2)制备前驱体溶液
将抗坏血酸溶于去离子水中,搅拌均匀后用滤纸过滤,得到质量体积浓度为30%w/v的前驱体溶液,密封备用;
(3)前处理
选取平纹织物,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干;选取铜箔胶带,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物;将平纹织物放置在铜箔胶带上,取适量前驱体溶液将平纹织物完全润湿,再放置到运动平台6上,平纹织物的带液率为120%;
(4)打印固化
取适量金属盐溶液1置入微滴喷射装置的试管2中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液1逐滴打印在上述平纹织物表面,打印7层后形成导电线路7;采用无水乙醇将导电线路7进行清洗后,置于加热炉内在100℃下烘干10min,冷却后得到织物基高导电性线路。
实施例4
(1)制备金属盐溶液1
将月桂酸银粉末溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到质量体积浓度为60%w/v的金属盐溶液1,备用;
(2)制备前驱体溶液
将乙二醇溶于去离子水中,搅拌均匀后用滤纸过滤,得到质量体积浓度为15%w/v的前驱体溶液,密封备用;
(3)前处理
选取缎纹织物,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干;选取铜箔带,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物;将缎纹织物放置在铜箔带上,取适量前驱体溶液将缎纹织物完全润湿,再放置到运动平台6上,缎纹织物的带液率为90%;
(4)打印固化
取适量金属盐溶液1置入微滴喷射装置的试管2中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液1逐滴打印在上述缎纹织物表面,打印10层后形成导电线路7;采用无水乙醇将导电线路7进行清洗后,置于加热炉内在60℃下烘干20min,冷却后得到织物基高导电性线路。
实施例5
(1)制备金属盐溶液1
将柠檬酸银粉末溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到质量体积浓度为70%w/v的金属盐溶液1,备用;
(2)制备前驱体溶液
将葡萄糖溶于去离子水中,搅拌均匀后用滤纸过滤,得到质量体积浓度为18%w/v的前驱体溶液,密封备用;
(3)前处理
选取平纹织物,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用去离子水对其进行清洗,自然晾干;选取铜箔纸,将其裁剪为10mm×5mm的规格,采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物;将平纹织物放置在铜箔纸上,取适量前驱体溶液将平纹织物完全润湿,再放置到运动平台6上,平纹织物的带液率为110%;
(4)打印固化
取适量金属盐溶液1置入微滴喷射装置的试管2中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液1逐滴打印在上述平纹织物表面,打印9层后形成导电线路7;采用无水乙醇将导电线路7进行清洗后,置于加热炉内在80℃下烘干12min,冷却后得到织物基高导电性线路。
综上,实施例3为本发明的最佳实施例,通过将硝酸银溶液喷射打印在经抗坏血酸溶液完全润湿的织物表面,并于织物下层放置铜箔。使硝酸银与抗坏血酸溶液反应生成银单质,与织物下层的铜箔构成铜银原电池,使硝酸银中的银离子定向沉积于原电池阴极(银单质一极),提高了反应体系银单质的生成效率,增强了银单质在织物的连续性差,改善了其易脱落、导电性差的问题。
本发明提出了微喷印原电池置换沉积技术,充分利用织物的多孔结构,使金属盐溶液中的金属离子在电场的驱动下通过纤维组织定向沉积,并与织物结合。解决了现有的柔性导电线路的连续性差、易脱落、导电性差的问题。
图3是实施例3一种织物基高导电性线路的扫描电镜图(放大倍数500倍)。由图3可知,织物表面银层覆盖良好,仅有少数织物纤维裸露,而且银颗粒之间连续性好、结合程度高,主要以面接触为主;使成形的导电线路连续性与线路电学性能得到保证。
图4是基于金属盐溶液不同打印层数成形织物基高导电性线路的方阻图,数据见表1:
表1不同硝酸银打印层数与对应线路方阻
硝酸银打印层数 线路方阻均值Ω/□ 方阻标准偏差Ω/□
2 1.784 0.490107
3 0.9198 0.217176
4 0.30195 0.109558
5 0.09255 0.043024
6 0.0311 0.010219
7 0.00375 0.001495
8 0.00495 0.000864
9 0.0032 0.001418
10 0.00285 0.000412
由图4、表1可知,打印一层硝酸银溶液时线路是不导通的,打印2~6层硝酸银溶液时线路方阻呈梯度下降;本发明的制备的织物基高导电性线路,其金属盐溶液打印层数为7~10层,其方阻可达毫欧级,虽然与现有的导电墨水成形线路方阻基本在同一量级,但成本相对于导电墨水极低,为织物基制备高导电性线路奠定了基础。
图5是基于不同织物基底打印成形织物基高导电性线路的方阻图,数据见表2:
表2在不同织物基底打印成形织物基高导电性线路的方阻
织物结构 线路方阻均值Ω/□ 方阻标准偏差Ω/□
平纹 0.00495 0.000956
斜纹 0.01955 0.00321
缎纹 0.01905 0.003617
由图5、表2可知,在平纹织物成形高导电性线路的方阻远低于在斜纹、缎纹织物成形高导电性线路的方阻,所以选择平纹织物作为基底是非常有实用价值的。本发明的金属离子沿着平纹织物孔隙在析出的金属单质表面得电子析出,金属单质不断在织物基底的纤维内部结晶,最终制备出织物基导电线路,充分利用了织物基底的多孔特性,同时也提高了其导电性。

Claims (9)

1. 一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、金属盐溶液(1)的配制
将物料A溶于去离子水中,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到金属盐溶液(1),备用;
步骤2、前驱体溶液的配制
将物料B溶于去离子水,搅拌均匀使其充分溶解后过滤,得到前驱体溶液,密封备用;
步骤3、选取适宜织物基底(4),采用去离子水对其进行清洗,自然晾干,备用;
步骤4、裁剪适宜尺寸的金属薄膜衬底(5),采用2000目砂纸对其进行打磨,去除表面氧化物后备用;
步骤5、将所述织物基底(4)放置在金属薄膜衬底(5)上,取适量所述前驱体溶液将织物基底(4)完全润湿,再放置到运动平台(6)上,备用;
步骤6、取适量金属盐溶液(1)置入微滴喷射装置的试管(2)中,操作微滴喷射系统将金属盐溶液(1)逐滴打印在步骤5中的织物基底(4)表面,打印多层后形成导电线路(7);
步骤7、采用无水乙醇将所述导电线路(7)进行清洗后,置于加热炉内进行加热固化处理,冷却后得到所述织物基高导电性线路;
步骤1中,所述物料A为硝酸银粉末、银氨粉末、月桂酸银粉末、柠檬酸银粉末中的任意一种;
步骤2中,所述物料B为抗坏血酸、葡萄糖、水合肼,乙二醇中的任意一种;
步骤4中,所述金属薄膜衬底(5)为铜箔、铜片中的任意一种。
2.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,所述织物基底(4)为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述金属盐溶液(1)的质量体积浓度为20%w/v~80%w/v。
4.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述前驱体溶液的质量体积浓度为10%w/v~30%w/v。
5.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,所述微滴喷射系统为气动式微滴按需喷射系统。
6.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,步骤5中,所述织物基底(4)的带液率为80%~120%。
7.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,步骤6中,在所述织物基底(4)上打印7~10层金属盐溶液(1)。
8.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,步骤7中,所述加热固化处理的温度为50℃~100℃,时间为10~30min。
9.如权利要求1所述的一种织物基高导电性线路的制备方法,其特征在于,所述铜箔为铜箔胶带、铜箔纸、铜箔带中的任意一种。
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