一种水基液态金属墨水及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于液态金属墨水技术领域，具体涉及一种水基液态金属墨水及其制备方法与应用。所述水基液态金属墨水包括液态金属纳米微球、分散剂和去离子水；所述液态金属纳米微球的平均直径小于等于500nm。本发明专利技术水基液态金属墨水不仅可实现书写路径颜色的转变，还可以实现导电特性由绝缘到导电的转变，不仅为新型墨水的制备提供了一种新的制备方法，也为导电电路的制备提供了新的实现形式。这种水基液态金属墨水的制备及液态金属墨水书写路径颜色及导电特性转变的处理方法，为薄膜印刷电子材料、以及印刷电子产业提供了新的方向。

A Water-based Liquid Metal Ink and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种水基液态金属墨水及其制备方法与应用
本专利技术属于液态金属墨水
，具体涉及一种水基液态金属墨水及其制备方法与应用。
技术介绍
传统的墨水一般由碳基色素或染料制成，被用于书写或绘画。传统墨水可调制成各种各样的颜色，但大多数碳基墨水都不具有导电性。液态金属由于具有良好的流动性、导电性和低毒性，在快速制造和打印电子电子电路中得到广泛而深入的研究。最近几年很多科研机构已经可以制备出具有导电性的墨水，大部分导电墨水都是基于固态纳米金属粉末，而金属粉末里又以纳米银粉为主。然而含有固态金属粉末的墨水进行精细喷墨或者书写时，容易在笔管或喷头内沉淀，从而在喷头和笔头内出现桥连和阻塞现象，影响设备的正常使用。
技术实现思路
为了解决含固态金属粉末的墨水在书写时容易出现桥连和阻塞的问题，本专利技术提供一种水基液态金属墨水，其具有液态金属的流动以及导电性的优势，还能够实现导电特性由绝缘到导电的转变。本专利技术意外地研究发现，将液态金属制成纳米微球后可以有效地避免液态金属在墨水中发生沉淀现象。进一步地研究发现，液态金属纳米微球能够在水溶液中均匀分散而不发生沉淀现象，主要原因在于：1)基于布朗运动和扩散作用阻止微球的下沉，使得微球在溶液中动力学稳定；2)同种电荷的排斥作用。然而由于液态金属纳米微球的密度远大于水，且液态金属纳米微球在水溶液中电荷几乎为0，所以单纯依靠微球在水溶液中的布朗运动、扩散作用和同种电荷的排斥作用还很难达到溶液中动力学稳定状态，也就是说还不能完全解决液态金属纳米微球在水溶液中稳定分散而不沉淀的技术问题。基于此，本专利技术通过大量实验意外地发现进一步加入分散剂能够使液态金属纳米微球在分散剂的作用下稳定均匀地分散在溶液中，从而解决了在喷墨或者书写时因容易在笔管或喷头内沉淀而在喷头和笔头内出现桥连和阻塞现象的问题，保证了喷墨设备和书写设备的正常使用。基于上述研究，本专利技术提供一种水基液态金属墨水，包括液态金属纳米微球、分散剂和水。在本专利技术水基液态金属墨水中优选使用去离子水或双蒸水。进一步地，为更好地解决上述技术问题，研究发现当液态金属纳米微球的平均直径小于等于500nm时效果更佳，尤其是液态金属纳米微球的平均直径在10-500nm范围内，具有更好的流动性，更不容易发生沉淀现象，且还不影响其导电性。进一步地，所述水基液态金属墨水中，所述液态金属纳米微球与水的质量比例优选为15:(70-100)，更优选为15:(80-88)。在该比例范围内能够较好地保持所述水基液态金属墨水稳定性。进一步地，本专利技术中所述液态金属可为本领域常规选择。但为更好地解决上述技术问题，所述液态金属优选为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡锌合金中的一种或几种。通常可根据期望的墨水颜色选择不同的液态金属种类。还研究发现，当所述液态金属纳米微球的颜色为黑色时，由其制成的上述水基液态金属墨水在书写或印刷后再经挤压、碰撞等外力作用后颜色可转变为呈银色光泽。进一步地，本专利技术所述分散剂优选自水玻璃、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物(例如纳米纤维素)、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或多种。通常，所述分散剂主要作用是使液态金属纳米微球在溶液中均匀分散并保持稳定不下沉的状态。在本专利技术所述水基液态金属墨水中，所述分散剂的用量可根据其具体种类进行调整，以使液态金属纳米微球在溶液中均匀分散并保持稳定不下沉的状态为准。通常所述水基液态金属墨水中所述分散剂的含量为0.7-10wt％左右。为进一步解决上述水基液态金属墨水在书写或印刷时出现的一定程度的碎裂现象，提高书写流畅度，本专利技术还在上述水基液态金属墨水中加入了适量成膜剂。本专利技术意外地发现，加入适量成膜剂后不仅能够避免书写或印刷时的碎裂现象，还能够显著改善书写流畅度，提高了书写路径的光滑性，提高了墨水粘度；而且在分散剂和成膜剂的共同作用下还能够使得液态金属纳米微球表面处于绝缘状态的书写路径经擦拭去除表面的绝缘层后而形成导电路径，从而为导电电路的制备提供了新的实现形式。进一步研究发现，在擦拭过程中不仅能够方便地去除表面的绝缘层还令人吃惊地发现，下部液态金属纳米微球(颗粒)在剪切摩擦力的作用下进行融合，即由原来独立并相互绝缘的液态金属纳米微球转变为互相连接的液态金属导电线路。进一步分析其机理，主要原因是液态金属纳米微球由原来无序状态转变为接近有序的状态从而形成导电路径。在此过程中，另一个意外的发现是，擦拭前原本表面处于绝缘状态的书写路径通常为灰黑色，擦拭后其颜色转变为银色。进一步地研究发现，这种颜色转变很可能是因为液态金属纳米微球受到挤压、碰撞等外力作用后进行融合，由原来无序状态转变为接近有序的状态，即由原来独立并相互绝缘的液态金属纳米微球转变为互相连接的液态金属导电线路。本专利技术所述书写路径是指液态金属墨水灌注在笔芯内书写出的笔迹或者打印设备的打印路径等。进一步地，本专利技术所述成膜剂优选自蛋白成膜剂、丙烯酸树脂成膜剂、丁二烯树脂成膜剂、聚氨酯成膜剂、硝酸纤维成膜剂、聚乙烯醇中的一种或多种。通常，所述成膜剂其主要作用为调节墨水的粘度，使墨水更易于涂布和流平。在本专利技术所述水基液态金属墨水中，所述成膜剂的用量可根据其具体种类进行调整，例如以使液态金属墨水保持较佳的粘度、易于涂布和流平为准。通常所述水基液态金属墨水中所述成膜剂的含量为0.25-8wt％左右。本专利技术还提供一种如上所述的水基液态金属墨水的制备方法，包括如下步骤：1)将所述分散剂与液态金属混合，或者再加入成膜剂，然后再加入适量去离子水，制成混合物；2)对所述混合物进行超声破碎处理，使所述液态金属全部转变为液态金属纳米微球；3)将步骤2)超声处理后的混合溶液加入适量去离子水稀释，充分搅拌混匀，即可。通常步骤1)中去离子水的用量为所述液态金属质量的0.5-5倍。通常步骤2)中超声破碎处理2-4次，每次超声处理的时间为15-30min；超声效果应以所述液态金属全部转变为液态金属纳米微球为准。优选地，使所述液态金属纳米微球平均直径小于等于500nm。通常步骤2)中去离子水的用量为所述液态金属或所述混合物质量的0.5-5倍。本专利技术还提出上述水基液态金属墨水在制备导电路径上的应用。采用本专利技术水基液态金属墨水所制备的导电路径可实现颜色及导电特性的转变，使墨水同时具有黑色和银色，也可发挥出绝缘和导电切换的特性。采用本专利技术水基液态金属墨水所制备的导电路径在水分蒸干后呈现灰黑色；且在蒸干过程液态金属纳米微球由于密度较大将会沉积在紧贴基底的一层，所述分散剂会聚集在与空气接触的一层。待导电路径干了之后，用擦拭纸轻轻擦除表面层后，上部绝缘层被去除，下部液态金属纳米颗粒在剪切摩擦力的作用下融合而形成银色导电路径，从而实现颜色及导电特性的转变。进一步地，还可以根据需求擦除部分书写路径，保留一部分不进行处理，从而形成导电-绝缘的连续路径。其中，所述书写路径/导电路径厚度小于20μm。本专利技术所述水基液态金属墨水的应用，包括但不限于圆珠笔直写、喷墨打印、印刷等领域，液态金属墨水可代替传统墨水。本专利技术提供的水基液态金属墨水不同于传统的墨水仅具有一种单一的颜色，可实现书写路径从灰黑色到银色的转变，也不同于新研究的其他种导电或者绝缘墨水，本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水基液态金属墨水，其特征在于，包括液态金属纳米微球、分散剂和水；所述液态金属纳米微球的平均直径小于等于500nm。

【技术特征摘要】
1.一种水基液态金属墨水，其特征在于，包括液态金属纳米微球、分散剂和水；所述液态金属纳米微球的平均直径小于等于500nm。2.根据权利要求1所述的水基液态金属墨水，其特征在于，所述液态金属纳米微球的平均直径在10-500nm范围内。3.根据权利要求1或2所述的水基液态金属墨水，其特征在于，所述液态金属纳米微球与水的质量比例为15:(70-100)，优选为15:(80-88)；和/或，所述水基液态金属墨水中所述分散剂的含量为0.7-10wt％。4.根据权利要求1-3任一项所述的水基液态金属墨水，其特征在于，还含有成膜剂。5.根据权利要求4所述的水基液态金属墨水，其特征在于，所述水基液态金属墨水中所述成膜剂的含量为0.25-8wt％。6.根据权利要求1-5任一项所述的水基液态金属墨水，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡锌合金中的一种或几种；优选为GaIn24.5。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朋举，饶伟，刘静，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11