用于高度可拉伸的软电子器件的高传导性可印刷油墨及可由其获得的高传导性超可拉伸导体制造技术

本发明专利技术涉及用于高度可拉伸的软电子器件的高传导性可印刷油墨、其制造方法以及可由其获得的高传导性超可拉伸导体。获得的高传导性超可拉伸导体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高度可拉伸的软电子器件的高传导性可印刷油墨及可由其获得的高传导性超可拉伸导体
[0001]本专利技术涉及用于高度可拉伸的软电子器件的高传导性可印刷油墨、其制造方法以及可由其获得的高传导性超可拉伸导体。
[0002]具有独特灵活性、顺应性和可拉伸性的软电子器件的发展开辟了个性化医疗保健、消费电子器件和软机器人技术的新领域。特别地，用于收集关于人类行为的实时感测数据的可穿戴传感器是高需求的。迫切需要柔性传导布线和印刷电路以集成用于柔性电子装置的组件。新兴的3D印刷技术为个人提供了快速原型制作和定制电子器件的平台。因此，开发用于制造既具有高传导性又具有可拉伸性的弹性导体的传导性可印刷油墨是必要的。
[0003]传导性颗粒填充的弹性体是用于印刷的可拉伸电子器件的最常用的油墨，因为它们易于适应各种印刷技术，并且可以定制配方以满足机电和经济规格。然而，克服当前导电弹性体中高传导性与高拉伸性之间的权衡是主要挑战。尽管增加传导性固体的体积分数(体积％)保证了高传导性，但其劣化了可拉伸性。这种困境严重限制了聚合物类传导性油墨在软电子器件中的使用。最近的研究集中于使用液体金属，例如共晶镓
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铟(EGaIn)(Wang,J.等人,Printable Superelastic Conductors with Extreme Stretchability and Robust Cycling Endurance Enabled by Liquid
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Metal Particles.Advanced Materials,2018.30(16):p.1706157)或纳米颗粒(Matsuhisa,N.等人,Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes.Nature materials,2017.16(8):p.834)作为大传导性颗粒之间的电互连，以同时实现高的传导性、可拉伸性和可印刷性。尽管它们成分昂贵且制造工艺复杂，例如精密的温度和工艺控制，但由于锚(EGaIn或纳米颗粒)的鲁棒性，这些材料是布线和电极的有希望的候选物，但由于当施加应变时它们的电导率的变化小，因此它们不适于感测应用。
[0004]因此，本专利技术的技术目的在于提供简单且经济的方法来生产在应用于软电子器件的相应印刷装置中提供高变形性和可拉伸性的高传导性可印刷油墨。油墨制造应与现有技术的单元操作兼容，并且应允许大规模生产。
[0005]本专利技术利用毛细管悬浮现象来设计在应用于软电子器件的相应印刷装置中提供高变形性和可拉伸性的高传导性可印刷油墨，通过本专利技术实现了上述目的以及根据以下公开内容将变得显而易见的其它目的。
[0006]特别地，本专利技术涉及如权利要求1中所限定的包含传导性固体相和两种不混溶的流体相的高传导性可印刷油墨和如权利要求13中所限定的可由其获得的高传导性超可拉伸导体。
[0007]特别地，提供了高传导性可印刷油墨，其包含：
[0008](i)油墨的总体积的1.5体积％至21.0体积％的作为传导性固体相的传导性疏水性银颗粒，
[0009](ii)液体主要相，其包含作为聚合物基质的溶解在有机极性溶剂中的热塑性聚氨基甲酸酯(TPU)，其中TPU在所述有机极性溶剂中的体积含量为25％至50％，其中所述液体主要相占油墨的总体积的76.90体积％至98.49体积％，
[0010](iii)基于离子液体的液体次要相，其体积含量为油墨的总体积的0.0015体积％至2.1体积％，而所述液体次要相与所述传导性固体相之间的体积比ρ为0.001至0.1，
[0011]其中所述液体次要相与所述液体主要相不混溶并且不润湿所述传导性固体相，使得三相体系产生毛细管悬浮体。
[0012]此外，提供了用于生产根据本专利技术的这种高传导性可印刷油墨的方法，所述方法包括：
[0013]将以下进行混合：
[0014](i)油墨的总体积的1.5体积％至21体积％的作为传导性固体相的传导性疏水性银颗粒，
[0015](ii)液体主要相，其包含作为聚合物基质的溶解在有机极性溶剂中的热塑性聚氨基甲酸酯(TPU)，其中TPU在所述有机极性溶剂中的体积含量为25％至50％，其中所述液体主要相占油墨的总体积的76.90体积％至98.49体积％，
[0016](iii)基于离子液体的液体次要相，其体积含量为油墨的总体积的0.0015体积％至2.1体积％，而所述液体次要相与所述传导性固体相之间的体积比ρ为0.001至0.1，
[0017]其中所述液体次要相与所述液体主要相不混溶并且不润湿所述传导性固体相，使得三相体系产生毛细管悬浮体。
[0018]此外，提供了可由根据本专利技术的这种油墨获得的高传导性超可拉伸导体，其包含：
[0019](i)所得固体导体的5体积％至30体积％、优选8体积％至20体积％的作为传导性固体相的传导性疏水性银颗粒，
[0020](ii)67体积％至94.99体积％、优选78.80体积％至91.99体积％的热塑性聚氨基甲酸酯(TPU)，以及
[0021](iii)基于离子液体的液体(次要)相，其体积分数为所得固体导体的0.005体积％至3.0体积％、优选0.08体积％至1.20体积％，而所述液体次要相与所述传导性固体相之间的体积比ρ为0.001至0.1。
[0022]本专利技术采用用于制造高传导性且可拉伸的弹性体的简单且通用的框架。其背后的物理机制是通过添加少量与悬浮体的本体流体即聚合物基质不混溶的次要流体以及在这种三元固体/流体/流体体系中产生毛细力而诱导的悬浮传导性颗粒的自组装；参见Koos,E.and N.Willenbacher,Capillary forces in suspension rheology.Science,2011.331(6019):p.897
‑
900。这产生了低的渗流阈值，并且在固体传导性银颗粒低消耗的情况下实现了高传导性，从而在不损害传导性的情况下实现了高可拉伸性。除了其与本体相的不混溶性之外，对次要流体的选择的唯一限制是该流体在本体相内的颗粒上的三相接触角θ必须小于150
°
，通常为90
°
至150
°
，以便产生毛细状态的毛细管悬浮体(参见Koos Erin and Norbert Willenbacher.Soft Matter 8.14(2012):3988
‑
3994)。确切的接触角上限取决于簇结构和桥体积，即对于一些系统，最大接触角可以低于上述理论限度。应注意，三相接触角θ是取决于三元体系中的两种液体相以及固体相的材料性质。特别地，通过遵循ASTM标准D7334的躺滴法(sessile drop method)测定三相接触角。将Ag颗粒压成致密的丸粒并浸入主要聚合物相中。从装载在上方的注射器中挤出次要流体液滴，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.高传导性可印刷油墨，其包含：(i)所述油墨的总体积的1.5体积％至21.0体积％的作为传导性固体相的传导性疏水性银颗粒，(ii)液体主要相，其包含作为聚合物基质的溶解在有机极性溶剂中的热塑性聚氨基甲酸酯(TPU)，其中TPU在所述有机极性溶剂中的体积含量为25％至50％，其中所述液体主要相占所述油墨的总体积的76.90体积％至98.49体积％，(iii)基于离子液体的液体次要相，其体积含量为所述油墨的总体积的0.0015体积％至2.1体积％，而所述液体次要相与所述传导性固体相之间的体积比ρ为0.001至0.1，其中所述液体次要相与所述液体主要相不混溶并且不润湿所述传导性固体相，使得三相体系产生毛细管悬浮体。2.根据权利要求1所述的油墨，其中所述传导性疏水性银颗粒具有根据DIN EN 725
‑
5,ISO 13320通过激光衍射测量的0.1μm至50μm的中值粒径d50。3.根据权利要求1或2所述的油墨，其中所述热塑性聚氨基甲酸酯选自聚酯类或聚醚热塑性聚氨基甲酸酯。4.根据权利要求1至3中任一项所述的油墨，其中所述热塑性聚氨基甲酸酯的特征在于具有50％至2500％的拉伸失效应变ε
r
。5.根据权利要求1至4中任一项所述的油墨，其中所述液体主要相的所述极性溶剂选自四氢呋喃(THF)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)或其组合。6.根据权利要求5所述的油墨，其中所述极性溶剂与选自丙酮、甲基乙基酮(MEK)、环己酮、甲苯或乙酸乙酯(ETAc)的共溶剂混合。7.根据权利要求1至6中任一项所述的油墨，其中所述离子液体含有取代或未取代的咪唑鎓阳离子，其中盐的所述咪唑鎓阳离子优选在1
‑
和3
‑
位或1
‑
、2
‑
和3
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位具有(C1
‑
C6)烷基基团，并且所述离子液体的阴离子是卤离子、高氯酸根离子、拟卤离子、硫酸根离子、磷酸根离子、烷基磷酸根离子和/或C1
‑
C6羧酸根离子。8.根据权利要求7所述的油墨，其中所述咪唑鎓阳离子选自1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑鎓阳离子、1,3
‑
二甲基咪唑鎓阳离子或1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红叶，诺伯特，
申请(专利权)人：卡尔斯鲁厄技术研究所，
类型：发明
国别省市：