CN113549374B - 一种织物用高弹性水性导电油墨、印刷可拉伸电子织物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种织物用高弹性水性导电油墨、印刷可拉伸电子织物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种织物用高弹性水性导电油墨、印刷可拉伸电子织物及其制备方法和应用。制备步骤如下：(1)制备3D枝晶银材料：(2)织物用水性导电油墨的配制：(3)印刷可拉伸电子织物的制备。所述导电油墨包括3D枝晶银15‑35wt.％,粘结料25‑55wt.％，溶剂20‑50wt.％。本发明制备的在织物基底上具有良好印刷效果和粘附力的导电油墨，成本低廉，制备简单，可用于多功能可拉伸的电子织物的制备。本发明通过多次喷涂隐形防水剂在印刷电子织物表面可以显著地提高印刷电子织物的防水性、导电性、可拉伸性以及机械电学性能。所制备的印刷电子织物同时具有防水性，高导电性，高可拉伸性和高稳定性，可以用作应力传感器和加热器用于监测人体的运动状态和热疗。

Description

一种织物用高弹性水性导电油墨、印刷可拉伸电子织物及其 制备方法和应用
技术领域
本发明属于导电油墨及印刷技术领域，具体涉及一种织物用高弹性水性导电油墨、印刷可拉伸电子织物及其制备方法和应用。
背景技术
目前，柔性可穿戴电子由于其在人体活动动态追踪、实时健康监测、医疗保健、人机交互以及虚拟现实技术等领域有着广阔的应用前景而被人们广泛关注。在实际的应用中，可穿戴电子不仅需要具有实用的功能，还应该能够与皮肤紧密接触，同时保持穿戴舒适。织物，作为人类生活中必不可少的物品，由于其良好的皮肤贴合性，穿戴舒适性，优异的机械性能，和成熟的生产工艺而被认为是柔性可穿戴电子的理想基底材料。因此，结合织物的可穿戴性和电子器件功能性的电子织物被认为是柔性可穿戴电子的终极目标。
而为了实现电子织物的商业化应用，最关键的科学问题在于找到一种简单，快速，低成本，高通量的方法来制备性能稳定的电子织物，同时所制备的电子织物应该能够进行一定的图案化美学设计从而能够满足人们的美学需求。丝网印刷技术作为一种成熟的工业化生产技术具有低成本，大批量制备以及能够方便快速的实现定制的图案化等优势。同时丝网印刷技术也是目前市面上服装上各种印花图案的主要制备方法。因此，丝网印刷是实现图案化电子织物的低成本大批量制备的理想方案，对于实现电子织物的商业化应用具有极大的现实意义。然而，由于织物表面的粗糙多孔结构，以及在拉伸过程中容易变形等特点，在织物表面形成的涂层在拉伸过程中很容易出现裂纹从而失去电学性能。而织物在日常的可穿戴以及人体运动中时刻在被拉伸。因此，通过丝网印刷的方法实现可拉伸电子织物的制备目前仍是一大挑战。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种在织物基底上具有良好印刷适性和粘附性的高弹性水性导电油墨，通过丝网印刷技术实现图案化可拉伸电子织物的制备。本发明为低成本、大批量和快速制备可拉伸电子织物提供新的途径。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种织物用水性导电油墨及印刷可拉伸电子织物的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备3D枝晶银材料：
(1.1)将硝酸银溶于去离子水中得到溶液A；
(1.2)将羟胺溶于去离子水中得到溶液B；
(1.3)将溶液A和溶液B同时滴加到反应容器中搅拌反应，经洗涤、离心即得；
(2)织物用水性导电油墨的配制：
将15-35wt.％的3D枝晶银材料、25-55wt.％的粘结料、20-50wt.％的溶剂共100wt.％，混和，搅匀即得；
(3)印刷可拉伸电子织物的制备：将织物用导电油墨通过丝网印刷沉积在织物基底上形成导电图案，经烘干、冷却后喷涂隐形防水剂，静置后经烘干即得。
进一步，所述步骤(1)中硝酸银与羟胺的用量比为1g:1000-1500μL。
进一步，所述步骤(2)中，粘接料为高弹性透明胶浆，粘接料选自涤纶尼龙印花透明胶浆9004或4008高弹性透明胶浆中的一种或两种的组合。
进一步，所述步骤(2)中，溶剂选自去离子水、乙醇、乙二醇中的一种或多种。优选的，溶剂为去离子水：乙醇：乙二醇体积比为1：2：2的混合溶液。
进一步，所述步骤(2)制备的导电油墨的固含量在15-35wt.％，粘度范围为0.5-250Pa.s。
进一步，所述步骤(3)中织物基底为弹性可拉伸织物，包括棉织物、涤纶织物、皮革织物和涤纶-氨纶混合编织物。
进一步，所述步骤(3)中隐形防水剂为有机硅类隐形防水剂，主要成分包括甲基硅酸、氢氧化钠、纳米氧化硅和水，喷涂次数为5-20次。优选的，喷涂次数为10次。
进一步，所述3D枝晶银材料、粘结料和溶剂的百分比含量分别为25wt.％、45wt.％和30wt.％。
本发明第二方面提供利用第一方面方法制备的可拉伸印刷电子织物。
进一步，所述电子织物的水接触角为110-140°，方阻为0.08-0.2Ω/sq，可拉伸性范围为140-160％，循环稳定性为在100％的拉伸应力下循环拉伸/释放1000次，电子织物的初始电阻保持基本不变。
本发明第三方面提供第二方面所述的可拉伸印刷电子织物作为应力传感器和焦耳加热器的应用。可拉伸电子织物可作为应力传感器，应力传感范围为0-155％，灵敏度范围为20-200.可拉伸电子织物可作为焦耳加热器，在1V加载电压下可被加热至80-120℃。
本发明的有益效果如下：
1.通过3D枝晶银、隐形防水剂以及混合溶剂配制的高弹性水性导电油墨在织物上具有良好的印刷适性和粘附性，能够在多种不同材质的织物基底上印刷各种各样的图案和功能器件。
2.多次喷涂隐形防水剂能够显著提升电子织物的防水性，且能够提高导电性和可拉伸性和机械循环稳定性。
3.基于本发明所述材料和油墨配方制备的印刷电子织物中，水性导电油墨固化所形成的导电层和织物基底之间具有优异的粘附性，通过100次胶粘测试，所制备的电子织物的导电涂层保持完整，电阻变化不超过3％。
4.所制备的印刷可拉伸电子织物表现出良好的防水性，低的方阻(88.1mΩ/sq)，高可拉伸性(140-160％)，优异的循环稳定性(在100％的拉伸应力下循环拉伸/释放1000次，电子织物的初始电阻保持基本不变)。
5.所制备的印刷可拉伸电子织物可作为应力传感器，应力传感范围为0-155％，灵敏度范围为20-200.可拉伸电子织物可作为焦耳加热器，在1V加载电压下可被加热至80-120℃，同时在完全，拉伸等状态下仍能够保持良好的加热效果。
6.本发明提供的方法可用于大批量制备织物用水性导电油墨，可用于实现大批量印制图案化可拉伸电子织物，可规模化生产和用于工业制造。
附图说明
图1为本发明实施例3所制备的图案化电子织物及其基本结构以及所用导电油墨配方示意图。
图2为本发明实施例3所配制的导电油墨光学图像(a)和流变性性能(b和c)。
图3为本发明实施例3所印制的图案化可拉伸电子织物的照片。
图4为本发明实施例3所制备的电子织物在喷涂隐形防水剂前后的电阻变化(a)，可拉伸性变化(b)，以及循环稳定性变化(c为喷涂前，d为喷涂10次后)。
图5展示本发明实施例3所制备的电子织物的防水性(a)，传感性能(b)和加热性能(c)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
下述实施例中，隐形防水剂为有机硅类隐形防水剂，其主要组分包括甲基硅酸、氢氧化钠、纳米氧化硅和水，将上述组分混合即得。
实施例1
一种织物用水性导电油墨的配制及印刷可拉伸电子织物的制备方法，包括以下步骤：
1.制备3D枝晶银材料，具体操作步骤为：取1.02g硝酸银溶解到75mL的去离子水中得到溶液A。取1450μL羟胺溶液溶于75mL去离子水中得到溶液B。将两种溶液同时逐滴加入到三口烧瓶中搅拌9-15分钟即可得到3D枝晶银，通过去离子水和乙醇结合离心清洗所制备的3D枝晶银3次，分散在乙醇中备用。
2.称取1.2g 3D枝晶银、1.2g高弹性透明胶浆4008以及2.4g混合溶液(去离子水：乙醇：乙二醇＝1：2：2，体积比)通过手持式匀浆机强力搅拌20分钟制备得到基于3D枝晶银的水性导电油墨。
3.通过150目丝网印刷将3D枝晶银的水性导电油墨沉积在从运动紧身衣上裁剪下来的织物基底上制备得到图案化电子织物，在140℃下干燥10分钟。
4.在图案化电子织物表面喷涂隐形防水剂10次，在室温下静置24小时，然后在50℃下干燥3小时得到最终的印刷可拉伸电子织物。
本发明实施案例1所获得的印刷可拉伸电子织物的方阻为65.3mΩ/sq，拉伸极限为98％。
实施例2
一种织物用水性导电油墨的配制及印刷可拉伸电子织物的制备方法，包括以下步骤：
1.制备3D枝晶银材料，具体操作步骤为：取1.02g硝酸银溶解到75mL的去离子水中得到溶液A。取1450μL羟胺溶液溶于75mL去离子水中得到溶液B。将两种溶液同时逐滴加入到三口烧瓶中搅拌9-15分钟即可得到3D枝晶银，通过去离子水和乙醇结合离心清洗所制备的3D枝晶银3次，分散在乙醇中备用。
2.称取1.2g 3D枝晶银，1.68g高弹性透明胶浆4008以及1.92g混合溶液(去离子水：乙醇：乙二醇＝1：2：2，体积比)通过手持式匀浆机强力搅拌20分钟制备得到基于3D枝晶银的水性导电油墨。
3.通过150目丝网印刷将3D枝晶银的水性导电油墨沉积在从运动紧身衣上裁剪下来的织物基底上制备得到图案化电子织物，在140℃下干燥10分钟。
4.在图案化电子织物表面喷涂隐形防水剂10次，在室温下静置24小时，然后在50℃下干燥3小时得到最终的印刷可拉伸电子织物。
本发明实施案例1所获得的印刷可拉伸电子织物的方阻为70.5mΩ/sq，拉伸极限为118％。
实施例3
一种织物用水性导电油墨的配制及印刷可拉伸电子织物的制备方法，包括以下步骤：
1.制备3D枝晶银材料，具体操作步骤为：取1.02g硝酸银溶解到75mL的去离子水中得到溶液A。取1450μL羟胺溶液溶于75mL去离子水中得到溶液B。将两种溶液同时逐滴加入到三口烧瓶中搅拌9-15分钟即可得到3D枝晶银，通过去离子水和乙醇结合离心清洗所制备的3D枝晶银3次，分散在乙醇中备用。
2.称取1.2g 3D枝晶银，2.16g高弹性透明胶浆4008以及1.44g混合溶液(去离子水：乙醇：乙二醇＝1：2：2，体积比)通过手持式匀浆机强力搅拌20分钟制备得到基于3D枝晶银的水性导电油墨。
3.通过150目丝网印刷将3D枝晶银的水性导电油墨沉积在从运动紧身衣上裁剪下来的织物基底上制备得到图案化电子织物，在140℃下干燥10分钟。
4.在图案化电子织物表面喷涂隐形防水剂10次，在室温下静置24小时，然后在50℃下干燥3小时得到最终的印刷可拉伸电子织物。
图2为实施例3所配制的导电油墨光学图像(a)和流变性性能(b和c)。从图中可以看出水性导电油墨表现出剪切变稀行为和良好的触变性。
图4为实施例3所制备的电子织物在喷涂隐形防水剂前后的电阻变化(a)，可拉伸性变化(b)，以及循环稳定性变化(c为喷涂前，d为喷涂10次后)图。从图中可以看出，实施案例3所获得的印刷可拉伸电子织物的方阻为88.1mΩ/sq，拉伸极限为154％，在100％的拉伸/释放循环1000次过程中初始电阻保持基本不变。
图5展示本发明实施例3所制备的电子织物的防水性(a)，传感性能(b)和加热性能(c)。从图中可以看出：实施例3所制备的电子织物作为应力传感器的应力传感范围为0-155％，灵敏度范围为20-200；将实施例3所制备的电子织物作为焦耳加热器，在1V加载电压下可被加热至80-120℃，同时在完全，拉伸等状态下仍能够保持良好的加热效果。
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 (9)

1.一种印刷可拉伸电子织物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备3D枝晶银材料：
（1.1）将硝酸银溶于去离子水中得到溶液A；
（1.2）将羟胺溶于去离子水中得到溶液B；
（1.3）将溶液A和溶液B同时滴加到反应容器中搅拌反应，经洗涤、离心即得；
（2）织物用水性导电油墨的配制：
将15-35wt.%的3D枝晶银材料、25-55 wt.%的粘结料和20-50 wt.%溶剂共100 wt.%，混合，搅匀即得；所述粘结料为高弹性透明胶浆，选自涤纶尼龙印花透明胶浆9004或4008高弹性透明胶浆中的一种或两种的组合；
（3）印刷可拉伸电子织物的制备：将织物用水性导电油墨通过丝网印刷沉积在织物基底上形成导电图案，经烘干、冷却后喷涂隐形防水剂，静置后经烘干即得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中硝酸银与羟胺的用量比为1g:1000-1500 μL。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，溶剂选自去离子水、乙醇、乙二醇中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）制备的导电油墨的固含量在15-35 wt.%,粘度范围为0.5-250 Pa.s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中织物基底为弹性可拉伸织物，包括棉织物、涤纶织物、皮革织物和涤纶-氨纶混合编织物。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中隐形防水剂为有机硅类隐形防水剂，喷涂次数为5-20次。
7.一种可拉伸印刷电子织物，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的方法制备。
8.根据权利要求7所述的电子织物，其特征在于：所述电子织物的水接触角为110-140°，方阻为0.08-0.2 Ω/sq，可拉伸性范围为140-160%，循环稳定性为在100%的拉伸应力下循环拉伸/释放1000次，电子织物的初始电阻保持基本不变。
9.权利要求7所述的可拉伸印刷电子织物作为应力传感器和焦耳加热器的应用。
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