CN113897096A - 一种基于液态金属-微米金属片的超拉伸材料用导电印刷墨水及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于液态金属‑微米金属片的超拉伸材料用导电印刷墨水及其应用。该印刷墨水包括以下质量百分比的组分：30％‑50％镓铟(GaIn)或镓铟锡(GaInSn)合金液态金属、10％‑30％苯乙烯‑乙烯‑丁烯‑苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)或苯乙烯‑异戊二烯‑苯乙烯嵌段共聚物(SIS)凝胶和20％‑50％微米银片；其中SEBS或SIS凝胶为SEBS或SIS溶于甲苯或氯苯形成的凝胶。本发明制备的超拉伸墨水能够与多种类型的弹性体基底牢固结合，具有良好的抗形变能力和导电性。本发明提供的制备方法简单易行，能够满足丝网印刷、3D打印等诸多加工需求，适合大规模工业化量产。本发明提供的导电印刷墨水主要组成材料均具有良好的生物相容性和安全性，具备构建可穿戴柔性超拉伸电子器件的潜力。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子技术领域，特别涉及一种基于液态金属-微米金属片的超拉伸材料用导电可印刷电极。
背景技术
柔性可拉伸电子器件能够适应多种机械形变，具备构建可穿戴设备等广泛应用前景。导电电极材料作为柔性电子器件的重要组成部分，不仅连接了器件芯片、传感单元等核心组件，也担任着电信号传输等重要功能。对于大规模柔性电子器件加工及制造而言，采用印刷或3D打印方式实现导电电极的加工具有高精度、低成本等技术优势，是一种理想的商业化方案。
目前，针对可印刷导电材料的解决方案多基于金属银片、银纳米线、石墨烯、MXene等基材，通过加入一定量的高分子聚合物构建墨水最终实现导电材料的丝网印刷、喷墨打印或3D打印，但印刷电极在机械应变下的电阻/电导率下降明显，尤其是对于一些需要超拉伸(应变大于100％)应用场景，现有方案无法实现高形变下的优良导电性保持以满足器件工作需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于液态金属-微米金属片的超拉伸材料用导电可印刷电极。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种基于液态金属-微米金属片的超拉伸材料用导电印刷墨水，包括以下质量百分比的组分：20％-50％镓铟(GaIn)或镓铟锡(GaInSn)合金液态金属、10％-30％苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)或苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)凝胶和20％-50％微米银片；其中SEBS或SIS凝胶为SEBS溶于甲苯或氯苯形成的凝胶。
进一步，所述SEBS凝胶中SEBS质量分数为35％-40％，SIS凝胶中SIS质量分数为35％-40％。
进一步，所述SEBS的分子量(Mn)为70000～90000，其中苯乙烯的质量分数为20％，乙烯-丁烯的质量分数为80％。SIS分子量为80000～90000，其中苯乙烯的质量分数为17％，异戊二烯质量分数为73％
进一步，所述银片为微米级银片，直径为10-15微米。
本发明第二方面提供第一方面所述的超拉伸材料用导电印刷墨水的制备方法，包括以下步骤：
(1)将GaIn或GaInSn合金液态金属置于甲苯或氯苯中，经超声后，去除甲苯或氯苯溶剂，得到GaIn或GaInSn合金颗粒；
(2)将SEBS或SIS颗粒溶于甲苯或氯苯中，形成SEBS或SIS凝胶；
(3)将GaIn或GaInSn合金颗粒、微米银片和SEBS或SIS凝胶混合，充分搅匀后即得印刷墨水。
进一步，所述步骤(1)中超声处理方法为采用超声探头处理。
进一步，所述步骤(2)中SEBS凝胶中SEBS质量分数为35％-40％，SIS凝胶中SIS质量分数为35％-40％。
本发明第三方面提供第一方面所述的超拉伸材料用导电印刷墨水在可拉伸电极印、丝网印刷和3D材料刷中的应用。
本发明提供的制备方法中，利用超声处理合金液态金属是为了将大颗粒金属分散为微米或纳米颗粒；微米银片和超声处理后的液态金属颗粒作为导电材料，SEBS或SIS弹性体凝胶作为液态金属与微米银片的粘合剂，确保印刷墨水为稳定、均一的分散体系，且能够与印刷基底完美契合。
本发明提供的导电印刷油墨可用于可拉伸电极的印刷，其能够实现超拉伸的机理如下：液态金属微米/纳米颗粒在拉伸情况下会发生表面氧化层破裂，适应机械形变同时作为微米金属银片间的铆钉剂，确保整个导电网络中银片间结点的低阻态连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明利用液态金属微米/纳米颗粒在拉伸形变状态下会发生破裂进而释放内部液态金属作为金属银片间结点的铆钉剂这一效应，实现了超拉伸情况下导电网络的完整性和低阻性；
2、本发明制备的印刷墨水能够与多种类型的弹性体基底牢固结合，具有良好的抗形变能力和优良导电性；
3、本发明提供的制备方法简单易行，能够满足丝网印刷、3D打印等诸多加工需求，适合大规模工业化量产。
4、本发明提供的印刷墨水主要组成材料均具有良好的生物相容性和安全性，具备构建可穿戴柔性超拉伸电子器件的潜力。
附图说明
图1为实施例1得到的超拉伸材料用导电印刷墨水；
图2为实施例1得到的超拉伸材料用导电印刷墨水通过丝网印刷加工方式印制在织物和SEBS弹性体基底上的实物图；
图3为实施例1得到的超拉伸导体在不同拉伸率下的电阻变化情况；
图4为实施例1得到的超拉伸导体在不同拉伸率下的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面通过实施例，进一步阐明本发明的突出特点和显著进步，本发明的内容完全不限于此。
实施例1
制备导电印刷导电墨水，步骤如下：
1)称取1.5g GaIn液态金属，置于20ml玻璃瓶，加入15ml甲苯；
2)将玻璃瓶放入冰水浴，并将超声仪的探头浸入甲苯溶液中，对GaIn液态金属超声处理0.5小时，功率为300W；
3)超声处理后的GaIn液态金属溶液静置15分钟，祛除甲苯溶剂后，加入1.5g微米银片；
4)称取3g SEBS弹性体颗粒，置入玻璃瓶，加入10ml甲苯溶剂，放入磁力搅棒子后60℃水域搅拌2小时，得到SEBS弹性体凝胶。
5)加入0.75g SEBS弹性体凝胶至GaIn液态金属和微米银片混合液，充分搅拌后得到超拉伸可印刷墨水。
6)采用丝网印刷方法将制备的导电印刷伸墨水印制在SEBS弹性体基底、织物上，得到超拉伸导体。
实施例2
1)称取2g GaInSn液态金属，量取20ml氯苯，加入入玻璃瓶。
2)将玻璃瓶放入冰水浴，使用水浴超声机超声处理1.5小时。
3)超声处理后的GaInSn液态金属与氯苯混合物静置15分钟，除去液态金属沉淀上方的氯苯溶剂；
4)使用精密天平称取3g SIS弹性体颗粒置于20ml玻璃瓶，加入10ml氯苯溶剂，磁力搅棒2小时，得到SIS弹性体凝胶。
5)称取1g SEBS弹性体凝胶、2g微米银片，混合倒入GaInSn液态金属沉淀物，充分搅拌后得到超拉伸可印刷墨水。
6)采用3D打印方法将超拉伸墨水印制在可拉伸织物、SIS弹性体薄膜等基底上，得到超拉伸导体。
实施例3
1)称取1.5g GaIn液态金属，置于20ml玻璃瓶，加入15ml甲苯；
2)将玻璃瓶放入冰水浴，并将超声仪的探头浸入甲苯溶液中，对GaIn液态金属超声处理0.5小时，功率为300W；
3)超声处理后的GaIn液态金属溶液静置15分钟，祛除甲苯溶剂后，加入0.75g微米银片；
4)称取3g SEBS弹性体颗粒，置入玻璃瓶，加入10ml甲苯溶剂，放入磁力搅棒子后60℃水域搅拌2小时，得到SEBS弹性体凝胶。
5)加入0.75g SEBS弹性体凝胶至GaIn液态金属和微米银片混合液，充分搅拌后得到超拉伸可印刷墨水。
6)采用丝网印刷方法将制备的导电印刷伸墨水印制在SEBS弹性体基底、织物上，得到超拉伸导体。
实施例4
1)称取1g GaInSn液态金属，量取20ml氯苯，加入入玻璃瓶。
2)将玻璃瓶放入冰水浴，使用水浴超声机超声处理1.5小时。
3)超声处理后的GaInSn液态金属与氯苯混合物静置15分钟，除去液态金属沉淀上方的氯苯溶剂；
4)使用精密天平称取3g SIS弹性体颗粒置于20ml玻璃瓶，加入10ml氯苯溶剂，磁力搅棒2小时，得到SIS弹性体凝胶。
5)称取1g SEBS弹性体凝胶、1.5g微米银片，混合倒入GaInSn液态金属沉淀物，充分搅拌后得到超拉伸可印刷墨水。
6)采用3D打印方法将超拉伸墨水印制在可拉伸织物、SIS弹性体薄膜等基底上，得到超拉伸导体。
实施例5
性能测试：
图1为本发明实施例1得到的超拉伸墨水。从图中可以看出，本发明制备的超拉伸墨水中的液态金属颗粒、银片和弹性体凝胶能够均匀分布。
图2为本发明实施例1得到的超拉伸导体通过丝网印刷加工方式印制在织物和SEBS弹性体基底上的实物图，通过调整丝网印刷模具可以印制各种图案化的电极。
图3为本发明实施例1得到的超拉伸导体在不同拉伸率下的电阻变化情况，可以看到在1000％拉伸率下，电阻仅为218Ω；在1200％拉伸率下，电阻仍在500Ω左右。
图4为本发明实施例1得到的超拉伸导体在1000％拉伸前后的扫描电子显微镜图，可以看到拉伸前液态金属颗粒与银片均匀分布与基底；拉伸后，液态金属颗粒破裂并释放，自构建了银片间的导电通路，维持了导电网络，因此体系仍具有较低的电阻。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于液态金属-微米金属片的超拉伸材料用印刷导电墨水，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：30％-50％镓铟(GaIn)或镓铟锡(GaInSn)合金液态金属、10％-30％苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)或苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)凝胶和20％-50％微米银片；其中SEBS或SIS凝胶为SEBS或SIS溶于甲苯或氯苯形成的凝胶。
2.根据权利要求1所述的印刷导电墨水，其特征在于：所述SEBS凝胶中SEBS质量分数为35％-40％，SIS凝胶中SIS质量分数为35％-40％。
3.根据权利要求1所述的印刷墨水，其特征在于：所述SEBS的分子量(Mn)为70000～90000，其中苯乙烯的质量分数为20％，乙烯-丁烯的质量分数为80％；SIS分子量为80000～90000，其中苯乙烯的质量分数为17％，异戊二烯质量分数为73％。
4.根据权利要求1所述的印刷墨水，其特征在于：所述银片为微米级银片，直径为10-15微米。
5.权利要求1～4任一项所述的印刷墨水的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将GaIn或GaInSn合金液态金属置于甲苯或氯苯中，经超声处理后，去除甲苯或氯苯溶剂，得到GaIn或GaInSn合金颗粒；
(2)将SEBS或SIS颗粒溶于甲苯或氯苯中，形成SEBS或SIS凝胶；
(3)将GaIn或GaInSn合金颗粒、微米银片和SEBS或SIS凝胶混合，充分搅匀后即得印刷墨水。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中超声处理方法为采用超声探头处理。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中SEBS凝胶中SEBS质量分数为35％-40％，SIS凝胶中SIS质量分数为35％-40％。
8.权利要求1～4任一项所述的导电印刷墨水在可拉伸电极、丝网印刷和3D材料印刷中的应用。
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| WO2021121278A1 (zh) * | 2019-12-19 | 2021-06-24 | 北京梦之墨科技有限公司 | 液态金属导电浆料及电子器件 |
| WO2021187724A1 (ko) * | 2020-03-18 | 2021-09-23 | 포항공과대학교 산학협력단 | 수소 도핑된 액체금속 산화물을 포함하는 전도성 액체금속 미세입자, 그를 포함하는 전도성 잉크 및 그의 제조방법 |
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2021
- 2021-09-27 CN CN202111134634.2A patent/CN113897096A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| CN117153457B (zh) * | 2023-10-31 | 2024-01-26 | 常州聚和新材料股份有限公司 | 用于制备导电栅线的导电浆料、其有机载体及应用 |
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