CN116715187A - 基于表面能调控的基材表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于表面能调控的基材表面处理方法，所述方法包括以下步骤：S1、通过疏水材料对基材表面进行疏水处理；S2、采用等离子工艺对疏水处理后的基材进行处理，调控基材的表面能。本发明首先对基材表面进行疏水处理，可以将基材的表面能调控到较低的值，且改善了基材表面本身表面能不均匀的现象，能获得均匀的低表面能基材；在表面能均一的基材表面通过控制等离子工艺条件，可以对基材的表面能进行精细调控。
Description
技术领域
本发明属于印刷电子技术领域，具体涉及一种基于表面能调控的基材表面处理方法。
背景技术
随着印刷电子技术的发展，直接在基材表面上采用印刷方法制造电路、天线、柔性电池、微流控芯片、传感器、晶体管、射频标签、光电器件等也逐渐成为可能。印刷电子以其大面积、柔性化和低成本等特点，具备传统加工工艺不可替代的优势。基材上常用的材料沉积方法有丝网印刷、胶版印刷、微接触印刷以及卷对卷印刷等。材料沉积过程中涉及到材料在基材上的平铺，其中基材的表面能对于沉积材料的铺展有较大的影响。
表面处理作为一种改变印刷基材表面能的手段，可以有效改善印刷基材的印刷适性，在印刷电子领域具有非常重要的作用。通常用表面能来衡量印刷基材印刷适性，如果印刷基材的表面能低，其吸引力低于油墨相分子的吸引力，界面区的油墨分子有向油墨内部收缩的张力，这就是非润湿状态。如果印刷基材的表面能高，其吸引力高于油墨分子的吸引力，则界面区的油墨相分子有一种被吸附于基材的表面的压力，这就是润湿状态。调控印刷基材的表面能对于精密印刷尤其重要，基材的表面能对印刷材料的线宽以及形貌有较大的影响，基材上合适的表面能对实现较好的印刷效果和分辨率有非常重要的作用。
现有技术中常见的基材表面处理方式有等离子处理、电晕处理、化学处理、涂层处理法：
等离子处理：在等离子体作用下，衬底表面出现部分活性原子、自由基和不饱和键，这些粒子与基材表面产生改性作用，使其亲水性能发生变化；
电晕处理：采用高频高压或中频高压对塑料薄膜表面处理，使其表面活化，呈多毛孔性，这样能提高对油墨的粘结力，改善薄膜的印刷适性；
化学氧化处理：用氧化剂处理聚烯烃塑料表面，使表面氧化生成极性基团，提高制品表面的极性；
涂层处理法：涂层处理法是在薄膜上涂以特定的涂料，以改变其表面吸附性能。涂层处理的效率比较低。
以上基材表面处理方法对基材表面能的改善均有明显的效果，但是在印刷电子领域，柔性电极以及传感器、光电器件等在制作工艺中对印刷的结构尺寸以及表面形貌均有特殊的要求，仅采用以上方法对基材表面进行处理，基材的表面能难以实现精确控制。由于常见印刷基材本身表面能不均匀，直接在基材上印刷会产生印刷膜层不均匀、印刷效果差的现象；在基材上进行等离子处理对印刷有一定的改善，但是对于高精密印刷仍有一定的影响，例如印刷高精度银电极，线宽受表面能影响较大。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于表面能调控的基材表面处理方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于表面能调控的基材表面处理方法，以实现基材表面能的精准调控。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种基于表面能调控的基材表面处理方法，所述方法包括以下步骤：
S1、通过疏水材料对基材表面进行疏水处理；
S2、采用等离子工艺对疏水处理后的基材进行处理，调控基材的表面能。
一实施例中，所述基材的材料包括PET、PEN、PI、PMMA、PP、PS、PE、PC、PA、EVA、玻璃、石英、硅中的一种或多种。
一实施例中，所述步骤S1中疏水处理后基材的表面能为5mN/m～20mN/m。
一实施例中，所述步骤S1具体为：
通过喷涂、旋涂、涂布、浸泡、化学气相沉积、静电纺丝、组装、溶胶凝胶、电化学沉积中的一种或多种工艺，在基材表面形成疏水材料。
一实施例中，所述疏水材料包括PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA、含氟聚合物、含氟醚类化合物、氟碳蜡、氟化碳中的一种或多种，疏水材料的厚度为0.5nm～50nm。
一实施例中，所述步骤S2中，经过等离子工艺处理后基材的表面能为5mN/m～80mN/m，接触角范围为0～150°。
一实施例中，所述步骤S2还包括：
通过控制等离子处理工艺中的处理气氛、功率、处理时间中的至少一种，调控基材的表面能。
一实施例中，所述等离子处理工艺中的处理气氛为空气、氧气、氮气、氩气中的一种或多种；和/或，
所述等离子处理工艺中的功率为10W～600W；和/或，
所述等离子处理工艺中的处理时间为5s～10min。
一实施例中，所述步骤S2后还包括：
在经过等离子工艺处理后的基材表面制备功能层。
一实施例中，所述功能层通过丝网印刷、喷涂、电流体喷印、气溶胶打印、凹版印刷、涂布中的一种或多种工艺制备而得；和/或，
所述功能层的材料为纳米银墨水、PEDOT:PSS、银纳米线、量子点墨水、纳米铜墨水、纳米铝墨水、碳纳米管、金属氧化物、交联材料、电致变色材料中的一种或多种。
本发明具有以下有益效果：
本发明首先对基材表面进行疏水处理，可以将基材的表面能调控到较低的值，且改善了基材表面本身表面能不均匀的现象，能获得均匀的低表面能基材；在表面能均一的基材表面通过控制等离子工艺条件，可以对基材的表面能进行精细调控。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。
图1为本发明中基材表面处理方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种基于表面能调控的基材表面处理方法，包括以下步骤：
S1、通过疏水材料对基材表面进行疏水处理。
由于基材本身存在表面能不均一的现象，在基材表面上制备一层疏水材料，能够获得均匀低表面能的表面。优选地，疏水处理后基材的表面能为5mN/m～20mN/m。
S2、采用等离子工艺对疏水处理后的基材进行处理，调控疏水层的表面能。
结合等离子工艺，通过精确调控等离子工艺的条件，可以精确调控基材的表面能，基材表面从疏水到亲水的范围均可以调节，最终改善印刷工艺的适应性。优选地，经过等离子工艺处理后基材的表面能为5mN/m～80mN/m，水接触角范围为0～150°。
示例性地，基材的材料包括PET、PEN、PI、PMMA、PP、PS、PE、PC、PA、EVA、玻璃、石英、硅等中的一种或多种。
示例性地，疏水材料通过喷涂、旋涂、涂布、浸泡、化学气相沉积、静电纺丝、组装、溶胶凝胶、电化学沉积等中的一种或多种工艺制备而得。疏水材料包括PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA、含氟聚合物、含氟醚类化合物、氟碳蜡、氟化碳等中的一种或多种，疏水材料的厚度为0.5nm～50nm。
本发明中调控基材的表面能具体为：
通过控制等离子处理工艺中的处理气氛、功率、处理时间等中的至少一种，调控基材的表面能。
示例性地，等离子处理工艺中的处理气氛为空气、氧气、氮气、氩气等中的一种或多种；等离子处理工艺中的功率为10W～600W；等离子处理工艺中的处理时间为5s～10min。
进一步地，步骤S2后还包括：
在经过等离子工艺处理后的基材表面制备功能层。
其中，功能层通过丝网印刷、喷涂、电流体喷印、气溶胶打印、凹版印刷、涂布等中的一种或多种工艺制备而得；功能层的材料为纳米银墨水、PEDOT:PSS、银纳米线、量子点墨水、纳米铜墨水、纳米铝墨水、碳纳米管、金属氧化物、交联材料、电致变色材料等中的一种或多种。
本发明可适的印刷器件主要包括晶体管、OLED、QLED、OPV、精密电路、电致变色器件等。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例中的基材表面处理方法包括以下步骤：
1、将玻璃基材先后在乙醇、异丙醇、水中各超声10～30min，取出后吹干。
2、采用旋涂的方法在玻璃基材上制备形成疏水材料，疏水材料由甲基九氟丁醚、含氟聚合物以质量比10:1配置而成，旋涂转速为2000rpm/min，旋涂时间为30s，疏水材料厚度为一个分子层厚度(约0.5nm)。完成旋涂制备疏水材料后将玻璃放置烘箱内干燥，干燥条件为150℃，干燥时间为15min，去除玻璃基材上疏水材料的溶剂，得到表面能均一的基材，测试玻璃基材上水的接触角为111°，表面能为13.9mN/m。
3、使用等离子设备对含有疏水材料的玻璃基材进行处理，等离子工艺的处理气氛为氧气，功率设置为15W，处理时间为10s。
4、测试液体选择非极性液体二碘甲烷和极性液体去离子水。对应上述处理条件极性液体去离子水测试接触角为70°，非极性液体二碘甲烷测试接触角为87°，表面能为33mN/m。
5、针对印刷需求，喷墨印刷纳米银线线宽30±5μm，且纳米银线整体均匀，通过实验验证等离子工艺中的功率为15W，处理时间10s比较合适。
实施例2：
本实施例中的基材表面处理方法与实施例1基本相同，不同之处在于等离子工艺中的处理条件不同。
本实施例中等离子工艺的处理时间为5s，处理气氛为氧气，功率设置为15W，极性液体去离子水测试接触角为79°，对应基材的表面能为27mN/m。
实施例3：
本实施例中的基材表面处理方法与实施例1基本相同，不同之处在于等离子工艺中的处理条件不同。
本实施例中等离子工艺的处理时间为15s，处理气氛为氧气，功率设置为15W，极性液体去离子水测试接触角为60°，对应基材的表面能为41mN/m。
实施例4：
本实施例中的基材表面处理方法与实施例1基本相同，不同之处在于等离子工艺中的处理条件不同。
本实施例中等离子工艺的处理时间为20s，处理气氛为氧气，功率设置为15W，极性液体去离子水测试接触角为56°，对应基材的表面能为44mN/m。
实施例5：
本实施例中的基材表面处理方法与实施例1基本相同，不同之处在于等离子工艺中的处理条件不同。
本实施例中等离子工艺的处理时间为15s，处理气氛为氧气，功率设置为50W，极性液体去离子水测试接触角为30°，对应基材的表面能为63mN/m。
实施例6：
本实施例中的基材表面处理方法与实施例1基本相同，不同之处在于等离子工艺中的处理条件不同。
本实施例中等离子工艺的处理时间为15s，处理气氛为氩气，功率设置为15W，极性液体去离子水测试接触角为55°，对应基材的表面能为43mN/m。
实施例7：
1、选用PET基材，PET基材厚度为188μm，去除PET基材上的保护膜，并进行清洗。
2、通过PECVD在PET基材上生长一层疏水材料，疏水材料为氟化碳，PECVD的功率为400W，生长时间为15min，疏水材料的厚度为一个分子层厚度(约0.5nm)，生长结束后测试PET基材的接触角为120°。
3.使用等离子设备对含有氟化碳的PET基材进行处理，处理气氛为氧气，功率为20W，处理时间为10s，处理后测试得表面接触角为90°，表面能为21mN/m。
4.采用丝网印刷的方法在PET基材上印刷高精度电路，丝网印刷网版目数为400目，网版膜厚为15μm，网版张力为28mN/m，网版上设计的电路线宽为30μm，印刷后150℃温度下退火处理30min。
5.在上述PET基材上丝网印刷导电电路，印刷电路线宽为35μm，电路边缘整齐且没有断线。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明首先对基材表面进行疏水处理，可以将基材的表面能调控到较低的值，且改善了基材表面本身表面能不均匀的现象，能获得均匀的低表面能基材；在表面能均一的基材表面通过控制等离子工艺条件，可以对基材的表面能进行精细调控。
上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所对应的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
Claims (10)
1.一种基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、通过疏水材料对基材表面进行疏水处理；
S2、采用等离子工艺对疏水处理后的基材进行处理，调控基材的表面能。
2.根据权利要求1所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述基材的材料包括PET、PEN、PI、PMMA、PP、PS、PE、PC、PA、EVA、玻璃、石英、硅中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述步骤S1中疏水处理后基材的表面能为5mN/m～20mN/m。
4.根据权利要求3所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
通过喷涂、旋涂、涂布、浸泡、化学气相沉积、静电纺丝、组装、溶胶凝胶、电化学沉积中的一种或多种工艺，在基材表面形成疏水材料。
5.根据权利要求3所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述疏水材料包括PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA、含氟聚合物、含氟醚类化合物、氟碳蜡、氟化碳中的一种或多种，疏水材料的厚度为0.5nm～50nm。
6.根据权利要求1所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，经过等离子工艺处理后基材的表面能为5mN/m～80mN/m，接触角范围为0～150°。
7.根据权利要求6所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
通过控制等离子处理工艺中的处理气氛、功率、处理时间中的至少一种，调控基材的表面能。
8.根据权利要求7所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述等离子处理工艺中的处理气氛为空气、氧气、氮气、氩气中的一种或多种；和/或，
所述等离子处理工艺中的功率为10W～600W；和/或，
所述等离子处理工艺中的处理时间为5s～10min。
9.根据权利要求1所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2后还包括：
在经过等离子工艺处理后的基材表面制备功能层。
10.根据权利要求1所述的基于表面能调控的基材表面处理方法，其特征在于，所述功能层通过丝网印刷、喷涂、电流体喷印、气溶胶打印、凹版印刷、涂布中的一种或多种工艺制备而得；和/或，
所述功能层的材料为纳米银墨水、PEDOT:PSS、银纳米线、量子点墨水、纳米铜墨水、纳米铝墨水、碳纳米管、金属氧化物、交联材料、电致变色材料中的一种或多种。
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