CN114758844B - 一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，采用偶联剂和可拉伸聚合物制备柔性基底；S2，在柔性基底上制备液态金属导电图案；S3，在液态金属导电图案上制备封装层。该导线具有可拉伸性和导电性，制作简单。

Description

一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法，属于柔性导线的制备技术领域。
背景技术
柔性电子因可拉伸性在软体机器人、OLED和人体表面电子等领域具有巨大的应用潜能，而柔性可拉伸导线/电极对于柔性电子的发展起到决定性的作用。目前，可拉伸导线的制备方法主要有：1、将刚性金属材料制备成微纳米薄片或者蛇形结构，但是此方法需要复杂的制备流程(光刻，转印等)，同时可拉伸范围有限(～60％)；2、将纳米材料(碳纳米管、银纳米线等)混合到可拉伸聚合物中，但这种方法制备的柔性可拉伸导线因为高绝缘聚合物的存在，导电率较低，同时因为使用的纳米材料本质还是刚性的，疲劳强度不高，重复拉伸下导电性受到影响。
液态金属因为同时具备流动性和导电性，是制备柔性可拉伸导线的最佳选择。为了实现液态金属的柔性导线制备，当前国内外科研人员采用了不同的技术方案。例如，中国发明专利CN113096892A“一种液态金属导线的制备方法及液态金属导线”中将液态金属注射到柔性硅胶绝缘层的流道中，制备得到的液态金属导线可以做到多次折弯而不会产生疲劳断裂；但是，其采用的微流道和液态金属注射技术操作十分复杂、制备效率低。论文“All-Printed Flexible and Stretchable Electronics with Pressing or FreezingActivatable Liquid Metal-Silicone Inks”[Advanced Functional Materials,2019,30,1906683]中采用液态金属-硅胶墨水，利用多材料3D打印工艺实现液态金属基柔性电子设备的全打印；但是这种工艺制备的器件需要在机械激活(按压或者冷冻)后导电，操作复杂；同时因为加了绝缘的硅胶，导电性也受到很大的影响。
综上所述，目前，急需开发一种利用液态金属制备柔性导线，能保证导线的可拉伸性和导电性，同时制备简单的方法。
发明内容
本发明提供了一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种基于液态金属的柔性导线的制造方法，包括以下步骤：
S1，采用偶联剂和可拉伸聚合物溶液制备柔性基底；
S2，在柔性基底上制备液态金属导电图案；
S3，在液态金属导电图案上制备封装层。
作为进一步改进的，所述偶联剂选自氧化石墨烯或PVA。
作为进一步改进的，所述可拉伸聚合物选自TPU、PDMS或Ecoflex中的一种或几种。
作为进一步改进的，所述采用偶联剂和可拉伸聚合物溶液制备柔性基底为将所述偶联剂混合在可拉伸聚合物溶液中再制备柔性基底，或制备完柔性基底后再将偶联剂喷印在柔性基底的表面。
作为进一步改进的，所述偶联剂与可拉伸聚合物溶液的质量比为0.1％-5％
作为进一步改进的，所述在柔性基底上制备液态金属导电图案为通过丝网印刷或直写喷印将液态金属合金沉积在柔性基底的表面。
作为进一步改进的，所述在柔性基底上制备液态金属导电图案为通过丝网印刷或直写喷印将液态金属合金和导电纳米粒子沉积在柔性基底的表面。
作为进一步改进的，所述在液态金属导电图案上制备封装层为通过静电喷印或匀胶工艺制备。
作为进一步改进的，所述在液态金属选自镓基液态金属合金或镓基液态金属合金与金属纳米颗粒合成的液态复合材料。
一种上述的方法制备的基于液态金属的柔性导线。
本发明的有益效果是：
本发明的基于液态金属的柔性导线的制备中，柔性基底由柔性聚合物制备而成，具有很好的拉伸性能；所述液态金属导电图案沉积在所述柔性基底，提供电气连接能力，从而形成导电通路；所示封装层能够与柔性基底贴合连接，起到绝缘保护的作用，最终实现柔性可拉伸导线的制备。该制备方法能够保证柔性可拉伸导线的可拉伸性和导电性。
本发明的基于液态金属的柔性导线的制备中，所述偶联剂具有丰富的化学功能团，能和液态金属形成稳定的化学键，提高液态金属在柔性基底上的润湿性，赋能液态金属可打印性能，提高液态金属在不同柔性基底(多孔介质、曲面或者可拉伸平面等)的粘附能力，解决液态金属难以打印加工的难题，使得只需使用丝网印刷或直写喷印就可以在所述在柔性基底上制备液态金属导电图案，实现导电性，制备方法简单，不需传统的注射等复杂操作，可定制性强，将大大推动液态金属在柔性电子领域的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的基于液态金属的柔性导线的结构图。
图2是本发明实施例提供的基于液态金属的柔性导线的制备流程图。
图3是本发明实施例1-3的基于液态金属的柔性导线的测试结果。
图4是本发明对比实施例1的基于液态金属的柔性导线的测试结果。
其中，1为柔性基底，2为液态金属导电图案，3为封装层。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提供一种基于液态金属的柔性导线的制造方法，包括以下步骤：
S1，采用偶联剂和可拉伸聚合物制备柔性基底；此柔性基底可为薄膜结构或微纳米多孔结构，可为但不局限于通过倒膜、静电纺丝或激光制备。
S2，在柔性基底上制备液态金属导电图案，提供电气连接能力，从而形成导电通路，实现导电性。
S3，在液态金属导电图案上制备封装层，该绝缘封装层能够与柔性基底贴合连接，起到绝缘保护的作用。
作为进一步改进的，所述偶联剂选自氧化石墨烯或PVA，但不限于此，只要的材料。所述偶联剂具有丰富含氧官能团，能和液态金属形成化学键，从而提高液态金属在柔性基底的粘附性，解决液态金属难以打印加工的难题。
作为进一步改进的，所述可拉伸聚合物选自TPU、PDMS、Ecoflex，但不限于此，此材料制备的柔性基底具有很好的柔顺性和可拉伸性。
作为进一步改进的，所述采用偶联剂和可拉伸聚合物溶液制备柔性基底为将所述偶联剂混合在可拉伸聚合物中再制备柔性基底，或制备完柔性基底后再将偶联剂喷印在柔性基底的表面。
作为进一步改进的，所述偶联剂与可拉伸聚合物溶液的质量比为0.5％-5％，优选为0.1％、0.5％、1％、2％或5％。
作为进一步改进的，所述在柔性基底上制备液态金属导电图案为通过丝网印刷或直写喷印将液态金属合金沉积在柔性基底的表面。更优选的，所述在柔性基底上制备液态金属导电图案为通过丝网印刷或直写喷印将液态金属合金沉积在柔性基底的表面。此方法操作简单，不需传统的注射等复杂操作。
作为进一步改进的，所述在液态金属导电图案上制备封装层为通过静电喷印或匀胶工艺制备。
作为进一步改进的，所述在液态金属选自镓基液态金属或镓基液态金属与金属纳米颗粒合成的复合液态材料。更进一步优选中的，所述镓基液态金属合金为GaInSN，金属纳米颗粒为Cu纳米颗粒。本发明实施例将镓基液态金属合金与金属纳米颗粒混合成液态复合材料，进而减小液态金属合金的表面张力，提高液态金属合金的粘度，改善可喷印性。
本发明实施例提供一种上述的方法制备的基于液态金属的柔性导线。
实施例1
本实施例提供的一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法。柔性基底1为TPU和氧化石墨烯(GO)的复合膜，液态金属导电图案2为制备的导电通路，封装层3为静电喷雾制备的TPU薄膜。
本实施例的制造方法包括以下步骤：
S1、先将氧化石墨烯(GO)粉末通过超声的方式溶解在二甲基乙酰胺(DMAC)中，加入TPU后磁力搅拌3h得到的GO/TPU的前驱体混合溶液，其中，GO和TPU的质量比为0.5％，TPU占DMAC的质量比为45％；然后将该前驱体混合溶液通过旋涂工艺制备得到200um厚的膜，从而完成柔性基底1的制备。
S2、将镓基液态金属合金和Cu纳米粉末通过磁力搅拌混合在一起(质量比为10％)，提高液态金属导电墨水的导电率和可喷印性。然后通过直写打印(250uL/h、2.5mm/s)或者丝网印刷将液态金属导电墨水直接沉积在GO/TPU膜表面。
S3、将TPU粉末溶解在DMAC中(质量比为45％)，磁力搅拌3h得到TPU溶液；最后通过静电喷雾的方式将TPU溶液喷印在上述带有液态金属图案化的基底上，从而完成柔性可拉伸导线的制备。
因为氧化石墨烯含有大量的C-O、C＝O等含氧官能团，一方面和TPU能均匀的混合在一起，另一方面能和液态金属的Ga3+形成新的化学键，所以能提高液态金属在纳米纤维表面的润湿性，同时也能提高液态金属和柔性基底的连接强度。
在常温下对该实施例的基于液态金属的柔性导线进行单轴拉伸和电学性能测试，将实验样品放置于单轴拉伸机TH8100A上，拉伸过程中通过安捷伦34410A记录拉伸过程中电阻值的变化。如图3所示，本发明实施例3中可拉伸导线电阻随可拉伸导线的拉伸长度的增加而增加，在柔性导线拉伸为180％的情况下，电阻变化率为8.42，说明本实施例可拉伸线具有良好的可拉伸性和导电性能。
实施例2
本实施例提供的一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法。柔性基底为TPU/GO的纳米纤维膜，液态金属导电图案2为制备的导电通路，封装层3为TPU纳米纤维膜。
本实施例的制造方法包括以下步骤：
S1、先将氧化石墨烯(GO)粉末通过超声的方式溶解在DMAC中，加入TPU后磁力搅拌3h得到的GO/TPU的前驱体混合溶液，其中，GO和TPU的质量比为0.5％，TPU占DMAC的质量比为45％；将该前驱体溶液装入注射器中，通过静电纺丝工艺(12kv，300ul/h，15cm)制备GO/TPU纳米纤维膜。
S2、将镓基液态金属合金和Cu纳米粉末通过磁力搅拌混合在一起(质量比为10％)，提高液态金属导电墨水的导电率和可喷印性。然后通过直写打印(250uL/h、2.5mm/s)或者丝网印刷将液态金属导电墨水直接沉积在GO/TPU膜表面。
S3、将TPU粉末溶解在DMAC中(质量比为45％)，磁力搅拌3h得到TPU溶液；最后通过静电纺丝工艺(2kv，200ul/h，2cm)将TPU溶液喷印在上述带有液态金属图案化的基底上，从而完成TPU纳米纤维膜封装层的制备。
因为氧化石墨烯含有大量的C-O、C＝O等含氧官能团，一方面和TPU能均匀的混合在一起，另一方面能和液态金属的Ga3+形成新的化学键，所以能提高液态金属在纳米纤维表面的润湿性，同时也能提高液态金属和柔性基底的连接强度。
在常温下对该实施例的基于液态金属的柔性导线进行单轴拉伸和电学性能测试，将实验样品放置于单轴拉伸机TH8100A上，拉伸过程中通过安捷伦34410A记录拉伸过程中电阻值的变化。如图3所示，本发明实施例3中可拉伸导线电阻随可拉伸导线的拉伸长度的增加而增加，在柔性导线拉伸为180％的情况下，电阻变化率为3.07，说明本实施例可拉伸线具有良好的可拉伸性和导电性能。
实施例3
本实施例提供的一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法。柔性基底1为PDMS和聚乙烯醇树脂(PVA)的复合膜，液态金属导电图案2为制备的导电通路，封装层3为静电喷雾制备的PDMS薄膜。
本实施例的制造方法包括以下步骤：
S1、先将PDMS预聚物A、B组分按10:1混合后得到PDMS溶液，通过旋涂工艺制备得到PDMS薄膜；将TPU粉末溶解在DMAC中(质量比为45％)，磁力搅拌3h得到TPU溶液；通过静电纺丝工艺(12kv，300ul/h，15cm)将TPU溶液通过静电纺丝工艺按预设轨迹喷印在上述PDMS薄膜上，最后将PVA溶液直写在上述图案化的纳米纤维膜上，从而完成柔性基底1的制备。
S2、将镓基液态金属合金和Cu纳米粉末通过磁力搅拌混合在一起(质量比为10％)，提高液态金属导电墨水的导电率和可喷印性。然后通过直写打印(250uL/h、2.5mm/s)或者丝网印刷将液态金属导电墨水直接沉积在上述柔性基底图案化的PVA-TPU纳米纤维膜上。
S3、最后通过静电喷雾的方式将PDMS溶液喷印在上述带有液态金属图案化的基底上，从而完成柔性可拉伸导线的制备。
因为PVA含有大量的含氧官能团，一方面和TPU能均匀的混合在一起，并且起到连接TPU纳米纤维膜和PDMS膜的作用，另一方面能和液态金属的Ga3+形成新的化学键，所以能提高液态金属在纳米纤维表面的润湿性，同时也能提高液态金属和柔性基底的连接强度。
在常温下对该实施例的基于液态金属的柔性导线进行单轴拉伸和电学性能测试，将实验样品放置于单轴拉伸机TH8100A上，拉伸过程中通过安捷伦34410A记录拉伸过程中电阻值的变化。如图3所示，本发明实施例3中可拉伸导线电阻随可拉伸导线的拉伸长度的增加而增加，在柔性导线拉伸为180％的情况下，电阻变化率为4.9，说明本实施例可拉伸线具有良好的可拉伸性和导电性能。
对比例1
本实施例提供的一种基于液态金属的柔性导线及其制造方法。柔性基底为TPU的纳米纤维膜，液态金属导电图案2为制备的导电通路，封装层3为TPU纳米纤维膜。
本实施例的制造方法包括以下步骤：
S1、将TPU粉末溶解在DMAC中(质量比为45％)，磁力搅拌3h得到TPU溶液；将该前驱体溶液装入注射器中，通过静电纺丝工艺(12kv，300ul/h，15cm)制备TPU纳米纤维膜。
S2、将镓液态金属合金和Cu纳米粉末通过磁力搅拌混合在一起(质量比为10％)，提高液态金属导电墨水的导电率和可喷印性。然后通过丝网印刷将液态金属导电墨水直接沉积在TPU膜表面。
S3、最后通过静电纺丝工艺(12kv，300ul/h，15cm)将TPU溶液喷印在上述带有液态金属图案化的基底上，从而完成TPU纳米纤维膜封装层的制备。
在常温下对该实施例的基于液态金属的柔性导线进行单轴拉伸和电学性能测试，将实验样品放置于单轴拉伸机TH8100A上，拉伸过程中通过安捷伦34410A记录拉伸过程中电阻值的变化。如图3所示，本发明对比例1中可拉伸导线电阻随可拉伸导线的拉伸长度的增加而增加，在柔性导线拉伸为180％的情况下，电阻变化率为197.4。
实施例1至3与对比例1相比，实施例1至3的柔性导线的在拉伸过程中的导电性要显著优于对比例1，说明偶联剂的使用可以提高柔性导线在拉伸过程中的导电性。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于液态金属的柔性导线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采用偶联剂和可拉伸聚合物制备柔性基底；
S2，在柔性基底上制备液态金属导电图案；
S3，在液态金属导电图案上制备封装层；
所述偶联剂选自氧化石墨烯或PVA；
所述可拉伸聚合物选自TPU、PDMS、Ecoflex中的一种或几种；
所述偶联剂与可拉伸聚合物溶液的质量比为0.1％-5％；
所述封装层选自TPU薄膜、TPU纳米纤维膜或PDMS薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用偶联剂和可拉伸聚合物制备柔性基底为将所述偶联剂混合在可拉伸聚合物溶液中再制备柔性基底，或制备完柔性基底后再将偶联剂喷印在柔性基底的表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在柔性基底上制备液态金属导电图案为通过丝网印刷或直写喷印将液态金属合金沉积在柔性基底的表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在柔性基底上制备液态金属导电图案为通过丝网印刷或直写喷印将液态金属合金和导电纳米粒子沉积在柔性基底的表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在液态金属导电图案上制备封装层为通过静电喷印或匀胶工艺制备。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液态金属选自镓基液态金属合金或镓基液体金属合金与金属纳米颗粒合成的液态复合材料。
7.一种权利要求1至6任一项所述的方法制备的基于液态金属的柔性导线。
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