用于丝网印花的液态金属导电组合物、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种具有导电性的组合物，特别涉及一种用于丝网印花的液态金属导电组合物、制备方法及其应用，属于储能体系器件材料技术领域。本发明专利技术通过将蚕茧经过脱胶等处理得到蚕丝丝素，溶于水形成丝素水溶液，加入液态金属超声分散，再用高粘度聚合物调节其粘度，用于丝网印花的液态金属导电组合物。此发明专利技术制备简单，绿色环保，具有优异的导电性和分散稳定性；流变性好、挥发性好、渗化性适中；印制后花纹图案清晰、分辨率高。液态金属导电组合物可用于制备平面柔性储能器件的导电基底和正负极材料，赋予储能器件良好的机械性能和电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
用于丝网印花的液态金属导电组合物、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种具有导电性的组合物，特别涉及一种用于丝网印花的液态金属导电组合物、制备方法及其应用，属于储能体系器件材料

技术介绍
随着储能领域的迅速发展，电子设备的不断进步，极大的推动了小型化、微型化储能器件的快速发展。传统储能器件体积大、质量重，应用领域受到极大限制，已无法满足当前基本需求，未来这些电子产品必将朝着小型化、柔性化、多功能、集成化方向发展。便携式、柔性、可穿戴电子产品具有较大的机械柔性，能够在一定程度上适应不同环境，满足人们对于器件的形变要求。其研究应用体现在人类生活的很多方面，如柔性电池、微型超级电容器、电子皮肤、可穿戴生理监测装置、柔性传感器和柔性薄膜电路等。但是相应的性能要求同样制约了柔性、可穿戴电子产品的发展。一方面，要实现微型储能器件的进一步发展，需要进行制备技术创新。近年来，已经开发了许多用于储能领域的新方法，例如光刻、等离子体蚀刻、激光技术、电化学沉积技术等，但要实现可集成化和大规模生产，仍然需要低成本、高效益、绿色简单的制备方法。另一方面，在平面化储能器件的制备过程中，由于涉及到从电极材料、电解质材料、支撑基底、包装材料和器件形状等因素的影响，其直接影响器件的性能，因此需要进行材料的筛选和工艺的优化。当前，大量的复合材料被巧妙地设计用于高性能储能器件从而提高其机械柔性，但复合材料的加入会降低器件整体的导电性，进而影响其电化学性能。平面微型储能器件(平面微型电池和平面微型超级电容器)作为柔性、可穿戴产品的一类也存在同样问题，例如储能性能不佳、制备过程耗时、集成化步骤复杂，难以实现宏量生产等。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于丝网印花的液态金属导电组合物，该导电组合物用于丝网印花构建平面微型储能器件。本专利技术还提供一种所述用于丝网印花的液态金属导电组合物的制备方法。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种用于丝网印花的液态金属导电组合物，所述液态金属导电组合物中，含有蚕丝丝素1-10wt％，液态金属1-18wt％，高粘度聚合物0-1wt％，余量为水，液态金属导电组合物的总重量计为100％。丝网印花技术具有低成本、可靠性好、产量高的优势，对于宏量化制备平面微型储能器件具有极大吸引力；在储能器件的可集成方面也发挥着巨大作用；操作简单快捷，可满足人们对柔性可穿戴储能器件的需求。液态金属作为一种新兴材料，不仅具有金属的优异特性，如高的热传导性和良好的导电性，还表现出优异的流动性、良好的柔性和低粘度特性，其集流动性和金属导电性于一体，若将其良好分散，印制成图案化的柔性导电基底，将大幅提高平面柔性图案化储能器件的电化学性能。本专利技术中，可溶于水的蚕丝丝素是含亲水性基团较多的中长链大分子，我们发现，丝素中的羧基对金属离子具有很好的吸附螯合作用，可用于包覆分散液态金属液滴，大幅降低液态金属表面张力，这为降低液态金属液滴粒径和提高液态金属在水溶液中的分散稳定性提供新颖的方法。极少量高粘度聚合物的加入大大优化了所制得糊料的储能模量和损耗模量，提高了糊料的粘度，使其具有良好的剪切变稀(假塑性)特性，更重要的是降低渗化，提高了印花清晰度和连续性，这为平面柔性微型储能器件基底导电性的提升提供保障。且所提供的几个高粘度聚合物还可以提供优异得导离子作用，这对平面微型储能器件的性能具有重要作用。我们通过表征不同配比印花糊料的粘度,测试其变剪切粘度(剪切速率0～1000s-1)和定剪切粘度(剪切速率500s-1),发现当丝素与液态金属配比较低时，在高粘度聚合物较少的情况下，糊料粘度很小且保持不变，印花过程中极易渗化，糊料稳定性和印花清晰度很不理想。加大高粘度聚合物用量可得到优异流变性的印花糊料，但会降低其导电性。当丝素与液态金属配比提高时，在少量高粘度聚合物的用量下，几组印花糊料皆为非牛顿流体，表现出剪切变稀(假塑性)特性。且糊料采用去离子水作为溶剂，绿色环保，无污染，与微型储能器件中的水性凝胶电解质相匹配。为实现储能器件的小型化、集成化和多功能化，进一步提高其电化学性能，本专利技术用蚕丝丝素包覆分散液态金属，制备出一种具有优异导电性、良好流变性和分散性的液态金属水性油墨，进一步调节粘度制成糊料，方法简单，绿色环保，得到水性油墨和糊料既保留液态金属本身的优异导电性，又具有良好的分散稳定性；用高分子聚合物调节粘度得到的糊料挥发性好，易干，渗化性适中，流变性好；可用于以丝网印花的方式构建叉指型图案的柔性平面微型储能器件，解决其集成困难、储能性能不佳的问题，实现平面微型储能器件的性能提升和宏量生产，这将在柔性、可穿戴电子器件领域具有广阔的应用前景。作为优选，所述导电组合物中，含有蚕丝丝素3-8wt％，液态金属4-10wt％，高粘度聚合物0-1wt％，余量为水，液态金属导电组合物的总重量计为100％。作为优选，所述蚕丝丝素的分子量为8000-14000。作为优选，所述液态金属为镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓锌合金、铝锂合金、钠钾合金、镓铷合金或镓铯合金中的一种或几种。作为优选，所述高粘度聚合物选自聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、水性聚氨酯(PU)、聚丙烯酰胺(CPAM)、水解聚丙烯酰胺(HPAM)、羧甲基淀粉、醋酸淀粉、羟甲基纤维素、羧甲基纤维素(CMC)、瓜尔胶、明胶或海藻酸钠中的一种或几种。一种所述的用于丝网印花的液态金属导电组合物的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)丝素的制备：将蚕茧经过脱胶，溶解，透析，冷冻干燥，得到纯净的丝素；(2)丝素水溶液制备：将步骤(1)得到的丝素与水混合，在20-80℃温度下搅拌，搅拌时间为2-12h，得到丝素水溶液；(3)导电组合物的制备：在步骤(2)得到的丝素水溶液中加入配方量的液态金属，冰浴超声混合后，得到导电组合物。冰浴的意义是保证液态金属合金相不发生改变和减少氧化反应的发生。该导电组合物可作为导电墨水应用于打印导电图案、PFIR天线、PCB线路板或者直接书写等。作为优选，该方法还包括：(4)糊料制备：在步骤(3)得到的导电组合物中加入高粘度聚合物，充分搅拌后得到具有一定粘度的导电组合物。添加了高粘度聚合物的导电组合物，可以作为导电糊料通过丝网印花的方式印制在柔性基底上，再通过机械烧结作用(机械摩擦力的作用和液态金属自愈合作用结合)得到导电图案，用作平面微型储能器件的导电基底。作为优选，步骤(2)中丝素与水混合的质量比为1:10-50，磁力搅拌时间为4-8h。作为优选，步骤(1)蚕丝丝素的制备方法具体是：a、蚕茧脱胶：将桑蚕茧用Na2CO3溶液以1:20-80浴比在100℃下煮沸10-60分钟，重复2-6次，得到脱胶丝素；b、丝素溶解：配制CaCl2：H2O：C2H5OH摩尔比为1：(1-5)：(2-10)的混合溶剂，将丝素以1：(8-12)的浴比，置于75±2℃的水浴锅内恒温搅拌直至完全溶解即得棕黄色的丝素-氯化钙溶液；c、透析：将步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于丝网印花的液态金属导电组合物，其特征在于所述液态金属导电组合物中，含有蚕丝丝素1-10 wt %，液态金属1-18wt %，高粘度聚合物0 -1wt%，余量为水，液态金属导电组合物的总重量计为100%。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于丝网印花的液态金属导电组合物，其特征在于所述液态金属导电组合物中，含有蚕丝丝素1-10wt%，液态金属1-18wt%，高粘度聚合物0-1wt%，余量为水，液态金属导电组合物的总重量计为100%。


2.根据权利要求1所述的导电组合物，其特征在于所述导电组合物中，含有蚕丝丝素3-8wt%，液态金属4-10wt%，高粘度聚合物0-1wt%，余量为水，液态金属导电组合物的总重量计为100%。


3.根据权利要求1所述的导电组合物，其特征在于所述蚕丝丝素的分子量为8000-14000。


4.根据权利要求1所述的导电组合物，其特征在于：所述液态金属为镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金、镓锌合金、铝锂合金、钠钾合金、镓铷合金或镓铯合金中的一种或几种。


5.根据权利要求1所述的导电组合物，其特征在于：所述高粘度聚合物选自聚氧化乙烯（PEO）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、水性聚氨酯（PU）、聚丙烯酰胺（CPAM）、水解聚丙烯酰胺(HPAM)、羧甲基淀粉、醋酸淀粉、羟甲基纤维素、羧甲基纤维素（CMC）、瓜尔胶、明胶或海藻酸钠中的一种或几种。


6.一种权利要求1所述的用于丝网印花的液态金属导电组合物的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）丝素的制备：将蚕茧经过脱胶，溶解，透析，冷冻干燥，得到纯净的丝素；
（2）丝素水溶液制备：将步骤（1）得到的丝素与水混合，在20-80℃温...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毅，张亚茹，程钟灵，倪长克，张国琴，王子希，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33