CN112041500A - 在织物中产生金属 - Google Patents

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Abstract

在示例的实施方式中，提供了一种在织物中转化金属前体的方法。该方法包括将液体的金属前体施加至织物，然后将能量(如热和/或压力)施加至织物。金属前体通过能量的持续施加而转化为织物中的金属纳米颗粒。

Description

在织物中产生金属
背景技术
随着电子设备的尺寸越来越小，电子设备能够被添加到更多种类的材料中。例如，电子设备被添加到柔性材料、织物和衣物中。将金属合并到织物中能开辟额外的织物应用领域。
例如，添加到织物中的导电线路能够用于提供实时的身体感测功能。例如，用户穿的这种衣物能够测量心率、体温等。织物中的金属也能够用于控制微生物活动和气味。
附图说明
图1为根据本公开的将金属前体(metal precursor)添加到织物并转化为金属纳米颗粒的框图；
图2为根据本公开的用于在织物中产生金属的示例的装置的框图；
图3为根据本公开的用于在织物中产生金属的示例的装置更详细的框图；
图4为根据本公开的用于在织物中产生金属的另一示例的装置更详细的框图；
图5为根据本公开的用于在织物中产生金属纳米颗粒的示例的方法的流程图；以及
图6为根据本公开的存储由处理器执行用于在织物中产生金属纳米颗粒的指令的、示例的非暂时性计算机可读存储介质的框图。
具体实施方式
本文所述的示例提供了用于在织物中产生金属纳米颗粒方法和装置。如上所述，添加金属到织物中能够为服装提供额外的功能。例如，金属能够形成为能够用于身体感测的导电线路。
然而，用于合并导电线路的工艺可能是昂贵且耗时的。另外，这些工艺可能使用刺激性化学品。这些工艺可能使用过量的金属颗粒来克服耐久性问题，例如织物的耐洗涤性和常规处理。添加过量的金属会增加成本。另外，添加过量的金属颗粒会影响织物的材料属性，例如，柔韧性、材料的触感、延展性等。这些工艺也可能为了控制金属颗粒的沉积而使用掩模，这会导致浪费和增加成本。
此外，金属纳米颗粒可能具有使金属纳米颗粒储存困难的物理特性。例如，金属纳米颗粒可能难以在金属纳米颗粒的寿命期内防止氧化。这会使将金属纳米颗粒加工处理为织物中的导电线路更加困难。
本文示例提供了一种使用流体状态金属前体的工艺。金属前体能够被数字地“印刷”到织物上，而不使用用于控制金属前体所施加的掩模，或者织物能够被浸在金属前体中。然后金属前体能够被转化为织物上的金属纳米颗粒。该工艺能够制造金属纳米颗粒而不在加工处理期间产生或使用刺激性化学品。金属前体可以吸收进织物中并允许金属纳米颗粒产生到织物中，而不是位于织物的表面。此外，使用金属前体能够避免上述金属纳米颗粒氧化的问题。
金属前体能够用多种不同的设备产生。例如，金属前体能够被直接印刷到织物上。热和压力能够通过批处理工艺中的挤压器或连续的工艺中的辊来施加。金属前体也能被施加到基底上，并且其能够通过热和压力从基底转移到织物上。热和压力能够通过批处理工艺中的挤压器或连续工艺中的辊来施加。因此，本文所述的方法和装置以一种有效率的方式在织物中产生金属纳米颗粒。
图1示出了根据本公开的将金属前体添加到织物并转化为金属纳米颗粒的框图。在一个示例中，金属前体104可被施加到织物102。金属前体104在被施加到织物102时可以是液态的。金属前体104可被印刷在织物102上、分配到织物102上、浸入到织物102上(如在金属前体104的池或桶中)等。
在一个示例中，织物102可以是用来制造织品的任何种类的材料。织物102可以是天然纤维(如绵、羊毛或类似物)或可以是合成纤维(如聚酯纤维、尼龙、人造纤维或类似物)。织物102可以是天然纤维和合成纤维的组合(如绵和聚酯纤维的混合物)。
金属前体104可以是任何种类的有机金属盐或金属盐。金属可以是过渡金属。过渡金属的示例可包括诸如铜、银、镍、金、铂、钴等金属。任何可使用的金属种类具有稳定和可溶的有机盐。
在一个示例中，金属化合物可具有通式Mx[有机或金属盐]y，其中，M是金属，x是盐阴离子的电荷量，以及y是金属的氧化态。有机盐或金属盐可以有极性基团，例如羧酸基团、胺基团、或其他可允许在水性环境中解离的功能基团。盐上的碳链可相对较短以增加溶解度以及增加溶液中的总金属含量。可用的有机盐阴离子的示例包括甲酸盐、乙酸盐、油酸盐及类似物。
在一个示例中，能量可被施加至织物102，以将金属前体104转化为金属纳米颗粒106。能量可以是热和/或压力的形式。液态形式的金属前体104可浸入到织物102中。因此，金属前体104可更好地作用以及能更均匀地作用在织物102中。这可允许最终形成的金属纳米颗粒具有在织物102中更好的附着和耐久性。
在一个示例中，施加用于将金属前体104转化为金属纳米颗粒106的能量可用光子方式或机械方式施加，如下文进一步的详细讨论。所施加的热和压力的量可根据用在金属前体104中使用的金属和有机盐或金属盐的种类以及织物102的物理性质而变化。例如，在织物不变形或不改变触感和外观的情况下，一些种类的织物与其他种类的织物相比能够承受更高的温度和更大的压力。
在一个示例中，甲酸铜为金属前体104，该金属前体104可被加热到150摄氏度(℃)与200℃之间。在一个示例中，热可以是约160℃。压力可以是约10至20磅每平方英寸(psi)。然而，如上所述，实际的热和压力的量可取决于金属前体104使用的金属和盐的种类。
在施加热和压力之后，金属前体104可被转化为金属纳米颗粒106和副产物。在一个示例中，该反应的通式可以是My++[有机盐]x-＝>M0+[分解的有机盐]。在上述使用甲酸铜的示例中，该反应可以为Cu2++2HCOO1-＝>Cu0 (s)+2CO2(g)+H2O(l)。值得注意的是，副产物可以是惰性气体，例如二氧化碳和水，如在甲酸铜反应中所看到的。
图2示出了根据本公开的在织物中产生金属的示例的装置200的框图。在一个示例中，装置200可包括金属前体分配器202、热源204、压力源206、以及控制器208。控制器208可通信地耦合至金属前体分配器202、热源204、以及压力源206，以便控制分配器202、热源204、以及压力源206的操作。
在一个示例中，分配器202可以是印刷头，其可被数字地控制用于将金属前体104分配在织物102上所期望的位置中。例如，金属线路的所期望的位置可被识别，并且控制器208可控制分配器202以将金属前体104分配在相应的位置中。在一个示例中，可使印刷头运动，可使织物运动，或使二者的组合运动。
在一个示例中，分配器202可以是池或桶，如上所述。换言之，织物102可被浸在金属前体104的池中，以便浸入整个织物102。
在一个示例中，金属前体104可被印刷到基底上。然后，基底有金属前体104的一侧可被施加抵靠到织物102的表面。在图3中示出了一个示例，并在以下讨论。
热源204可将热施加至金属前体104，并且压力源206可将压力施加至金属前体104，以便将金属前体104转化为金属纳米颗粒106，如上所述。尽管热源204和压力源206被示出为分开的设备，但是应当注意的是，热源204和压力206可组合成单个设备。
在一个示例中，热源204可产生不同形式的热。在一个示例中，热可以通过热力源或电力源产生。例如，一个平台或表面可被加热，以便将热施加至织物102。在另一个示例中，热源204可使用光来产生热。例如，热源204可以使用光烧结以便在毫秒周期内施加紫外线、可见光、或红外光来加热金属前体104。
在一个示例中，热源204和压力源206可被施加为连续工艺的部分。例如，一条具有施加至织物102的金属前体104的织物102可以是连续加工处理的(如沿着传送带)。在一个示例中，热源204和压力源206可被施加为批处理工艺的部分。例如，单个具有施加至织物102的金属前体104的织物102可以是由装置200一次加工处理的。
图3示出了根据本公开的在织物中产生金属的示例的装置300的框图。在一个示例中，装置300可在连续的工艺中操作。换言之，一条织物102可被装置300以连续的方式馈送或加工处理。
装置300示出了金属前体104施加至基底302的一个示例。金属前体104可被以图案形式分配或印刷到基底302上，或可作用在基底302的整个侧。在一个示例中，基底302可以是能够携带金属前体104的聚合物、塑料或膜。
在一个示例中，基底302具有金属前体104的一侧可与织物102接触。换言之，金属前体104的层可位于基底302和织物102之间。在一个示例中，基底302可用于转移金属纳米颗粒106至织物102的外侧上。
在一个示例中，基底302、金属前体104、以及织物102可被馈送在加热辊304和张紧辊306之间。尽管加热辊304和张紧辊306看起来具有相同的规格，但是应当注意的是，加热辊304和张紧辊306可具有不同的规格。例如，张紧辊306的直径可改变以调节由张紧辊306施加的压力的量。
在一个示例中，基底302、金属前体104、以及织物102可按箭头308所示的方向被馈送。加热辊304和张紧辊306可被间隔开，使得加热辊304接触基底302并且张紧辊306施加抵靠织物102和金属前体104的压力的所期望的量。
在一个示例中，加热辊304可以是热源204并且张紧辊306可以是压力源206，如图2中示出的。在一个示例中，张紧辊306也可被加热，以便将热的所期望的量施加至织物102和金属前体104。
加热辊304和张紧辊306可以相反的方向按图3中示出的箭头310和312旋转。加热辊304和张紧辊306的旋转可使织物102馈送穿过。在织物102被馈送穿过且在加热辊304和张紧辊306之间之后，基底302可被去除。由加热辊304和张紧辊306施加的热和压力可将金属前体104转化为金属纳米颗粒106层。该金属纳米颗粒106层可在织物102上形成导电线路或阻挡层。
在一个示例中，织物102可具有直接印刷到织物10 2中的金属前体104，如上所述。换言之，金属前体104可浸入到织物102中，使得金属纳米颗粒106在织物102内部形成。
当金属前体104被直接印刷到织物102中，加热辊304和张紧辊306可在织物102被馈送穿过装置300时加热织物102内的金属前体104。因此，施加到织物102和金属前体104的热和压力可以导致金属前体104被转化为织物102内的金属纳米颗粒106，如图1所示和上文所述。
图4示出了根据本公开的在织物中产生金属的示例的装置400的框图。在一个示例中，装置400可在批处理工艺中操作。换言之，单个织物102可被一次加工处理以使金属前体104转化为金属纳米颗粒106。
装置400可包括加热板404和压力板406。加热板404可被加热以施加热所期望的量。加热板404可借助内部的电线圈操作或可以是加热到所期望的温度的导电金属。压力板406可通过朝向加热板404的运动以及挤压抵靠加热板404而以所期望的量施加压力。在一个示例中，压力板406也可被加热。
尽管加热板404和压力板406看起来具有相同的尺寸和规格，但是应当注意的是，加热板404和压力板406可具有不同的规格。例如，压力板406可具有比加热板404更大的表面积，加热板404可具有比压力板406更大的厚度等等。
在一个示例中，金属前体104可被施加至织物102，如上所述。织物102可被放置在压力板406上。加热板404和压力板406可朝向彼此运动，如箭头408和410所示。加热板404可将热的所期望的量施加至织物102和金属前体104。压力板406可将压力的所期望的量施加至织物102和金属前体104。
在将热和压力的所期望的量施加了预定的时间之后，加热板404和压力板406可远离彼此地如箭头412和414所示地运动。金属前体104可被转化成如图4所示的织物102内的金属纳米颗粒106。
因此，图2至图4中所示的装置可用于将金属前体104转化为织物102中的金属纳米颗粒106，如图1所示。如上所述，使用液态形式的金属前体104可允许在织物内形成的金属纳米颗粒更有效率且更有效的附着。另外，液体的金属前体104在储存期间可能不会经历直接将金属纳米颗粒施加到织物上可能经历的氧化。
图5示出了在织物中产生金属纳米颗粒的示例的方法500的流程图。在一个示例中，方法500可以由装置200、300、400或图6所示并在下文描述的装置600执行。
在框502处，方法500开始。在框504处，方法500施加液体的金属前体至织物。在一个示例中，液体的金属前体可通过印刷头的印刷工艺施加。例如，液体的金属前体的所期望的图案可被印刷到织物上。
在一个示例中，织物可被浸在液体的金属前体中。例如，液体的金属前体可被分配到容器或池中，并且织物可被浸在池中，以便将整个织物浸入液体的金属前体中。
在一个示例中，居间的基底可用于施加液体的金属前体。例如，金属前体可被施加至基底。然后，该基底被施加至织物，如上所述。居间的基底可在当液体的金属前体被施加至织物表面时使用。
液体的金属前体可以是有机金属盐或金属盐化合物中的过渡金属的化合物，如上所述。该金属可以是铜、银、镍、金、铂、钴及类似物。可以使用具有稳定且可溶的有机盐的金属的任何种类。有机盐或金属盐可具有极性基团，例如羧酸基团、胺基团、或其他可允许在水性环境中解离的功能基团。盐上的碳链可相对较短，以便增加溶解度以及增加溶液中的总金属含量。可用的有机盐阴离子的示例包括甲酸根、乙酸根、油酸根及类似物。
在框506处，方法500施加能量至织物。能量可以是机械地施加的或通过光烧结工艺施加的热和/或压力。例如，可使用加热辊或加热板、或发射紫外线、可见光或红外线的光源施加热。可通过使用机械辊或使用用于挤压抵靠金属前体和织物的板来机械地施加压力。
所施加的热和压力的量可以是所使用的金属、金属盐的稳定性、以及织物物理性质的函数。例如，耐热的织物可使用大量的热。一些金属盐可在更低的温度下转化为金属纳米颗粒。如前所述，在使用甲酸铜的示例中，织物可在10-20psi下被加热到约160℃。
热和压力可被施加预定的时间周期。预定的时间周期可根据使用的金属和加热方式而变化。例如，在甲酸铜上使用加热辊，热和压力可被施加几秒。然而，使用光烧结方法，热可被施加几毫秒以使金属前体转化为金属纳米颗粒。
在框508处，方法500维持能量的施加直到金属前体在织物中转化为金属纳米颗粒。例如，金属可以作用于热和压力以形成金属纳米颗粒和无害的副产物。使用甲酸铜的示例，热和压力可以转化甲酸铜为金属铜，二氧化碳气体和水。在框510处，方法500结束。
图6示出了装置600的一个示例。在一个示例中，装置600可以是装置200、300或400。在一个示例中，装置600可包括处理器602和非暂时性计算机可读存储介质604。非暂时性计算机可读存储介质604可以包括指令606、608、610和612，当由处理器602执行时，指令使处理器602执行不同的功能以在织物中产生金属纳米颗粒。
在一个示例中，指令606可包括用于施加液体的金属前体至织物的指令。指令608可包括用于施加热和压力至织物的指令。指令610可包括用于维持热和压力的施加直到金属前体在织物中转化为金属纳米颗粒的指令。指令612可包括用于重复以下各项指令直到所述金属纳米颗粒在所述织物中的厚度超过厚度阈值的指令：所述用于施加液体的金属前体至织物的指令、所述用于施加热和压力的指令以及所述用于转化的指令。
应当理解的是，上述公开的和其它特征和功能的变形或它们的替代方案可被组合至许多其它不同的系统或应用中。本领域的技术人员随后可做出各种未预见或未想到的替代、修改、变型或改进方案，这些也应涵盖在所附的权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
施加液体的金属前体至织物；
施加能量至所述织物；以及
维持所述能量的施加，直到所述金属前体在所述织物中转化为金属纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述施加液体的金属前体包括：
将所述金属前体印刷到所述织物的选择区域上。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述施加液体的金属前体包括：
将所述织物浸在所述金属前体中。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述施加液体的金属前体包括：
以所述液体的金属前体涂敷基底；以及
施加所述基底至所述织物，使得所述液体的金属前体接触所述织物。
5.如权利要求1所述的方法，其中，施加的所述能量包括热，并且所述热被机械地施加或通过光烧结工艺施加。
6.如权利要求1所述方法，其中，所述金属前体包括金属盐或有机金属盐。
7.如权利要求1所述方法，其中，所述液体的金属前体基于用于将所述液体的金属前体转化为金属纳米颗粒的温度以及基于所述织物的物理性质而选择。
8.一种装置，包括：
金属前体分配器，用于将金属前体分配到织物上；
热源，用于将热施加至所述织物上的金属前体；
压力源，用于将压力施加至所述金属前体，其中，所施加的热和压力用于将所述金属前体在所述织物中转化为金属纳米颗粒；以及
控制器，所述控制器与所述金属前体分配器和所述热源通信，以便控制所述金属前体分配器和所述热源的操作。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述热源和所述压力源由单个机械机构提供。
10.如权利要求8所述的装置，其中，所述控制器用于在连续的工艺中操作所述金属前体分配器、所述热源和所述压力源。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述热源和所述压力源包括一对相对的加热辊。
12.如权利要求8所述的装置，其中，所述控制器用于在批处理工艺中操作所述金属前体分配器、所述热源和所述压力源。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述热源和所述压力源包括一对相对的加热板。
14.一种非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质以能够由处理器执行的指令编码，所述非暂时性计算机可读存储介质包括：
用于施加液体的金属前体至织物的指令；
用于施加热和压力至所述织物的指令；
用于维持所述热和压力的施加直到所述金属前体在所述织物中转化为金属纳米颗粒的指令；以及
用于重复以下各项指令直到所述金属纳米颗粒在所述织物中的厚度超过厚度阈值的指令：用于施加液体的金属前体至织物的指令、用于施加热和压力的指令以及用于转化的指令。
15.如权利要求14所述的非暂时性计算机可读存储介质，其中，所述液体的金属前体包括甲酸铜，所述甲酸铜被加热到150至200摄氏度之间并具有10至20磅每平方英寸的压力的量。
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