3D打印水凝胶电子器件的制造方法与导电材料技术

本发明专利技术提供一种3D打印水凝胶电子器件的制造方法与导电材料。该方法采用海藻酸钙

【技术实现步骤摘要】
3D打印水凝胶电子器件的制造方法与导电材料


[0001]本专利技术涉及柔性电子器件加工领域，具体地说，涉及一种3D打印水凝胶电子器件的制造方法与导电材料。

技术介绍

[0002]柔性电子器件，因其在生物检测与治疗、神经科学研究以及可穿戴电子设备等方面展现出的诱人前景，得到越来越广泛的关注和研究，并有望在未来通过技术突破取代传统刚性电子器件，实现行业革新。其作为一种近期出现的新型材料，水凝胶电子器件更是具备天然的生物相容性、低毒性、高水含量，以及易于进行化学修饰、允许离子扩散和与生物组织力学性能相近等特点，因而展现出良好发展前景。
[0003]水凝胶电子器件尚处发展的早期阶段，目前文献报道的用于制备水凝胶电子器件的方法，如灌模法、激光刻蚀法、流道法等普遍存在制备工艺繁琐、人工操作过多、精度较低、可设计性低以及三维空间自由度低等缺点，无法被推广成为标准化方法。此外，目前水凝胶电子器件中主要所使用的导体材料，包括(蛇形排布)金属导线和液体金属等，也存在拉伸程度有限和渗漏风险等问题。
[0004]CN110970232A公开了一种以水凝胶为基底的可拉伸微型电子器件及制备方法，该器件是由具有离子导电性的水凝胶基底和表面的可拉伸图案化微型电极一同构成的，制备过程包括获取具有预设电极图案的中介产品、将韧性水凝胶预拉伸后与中介产品贴合实现电极图案转移、缓慢释放水凝胶恢复至未拉伸状态，从而得到拉伸性良好、具有一定精度(线宽400μm)的水凝胶电子器件；该专利技术专利通过转印的方法制备，但由于转印的方法只能将电路附着在水凝胶表面，难以得到具有3D结构、功能更复杂的水凝胶电子器件，例如基于水凝胶的螺线管天线等，并且对于可选用的电极材料有诸多限制。再者，转印法需要事先制造相应的掩膜板，在中介材料上印刷电极图案后再进行转印，过程繁琐、人工操作过程多。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种3D打印水凝胶电子器件的制造方法与导电材料，为更简易地制备具有高精度、设计性和自由度的水凝胶电子器件提供可行性。
[0006]为了实现本专利技术目的，第一方面，本专利技术提供一种水凝胶基质材料，所述水凝胶基质材料是将可离子交联的高分子化合物(符合正交固化机制的离子交联高分子)、可自由基聚合的单体、交联剂和引发剂溶于去离子水中，然后引入金属离子(优选钙离子)使高分子化合物通过配位键进行离子交联，并将所得凝胶破碎为微米凝胶颗粒得到的；
[0007]其中，所述引发剂为热引发剂或光引发剂。
[0008]进一步地，所述可离子交联的高分子化合物可选自海藻酸钠、壳聚糖、透明质酸等，优选海藻酸钠。
[0009]进一步地，所述可自由基聚合的单体可选自丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯
(PEGDA)等，优选丙烯酰胺。
[0010]进一步地，所述交联剂可选用含2个C＝C键的水溶性小分子，优选N,N
‑
亚甲基丙烯酰胺。
[0011]优选地，所述引发剂为过硫酸铵(APS)，其他水溶性热引发剂也可用于本专利技术。
[0012]优选地，所述光引发剂为Igracure 2959，其他水溶性光引发剂也可用于本专利技术。。
[0013]第二方面，本专利技术提供所述水凝胶基质材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)将可离子交联的高分子化合物和可自由基聚合的单体在加热条件下，通过磁力搅拌溶于去离子水中，得到透明的粘溶液；
[0015](2)将步骤(1)所得的粘溶液冷却至25℃以下，加入交联剂、引发剂、金属离子的乙二胺四乙酸(EDTA)螯合物，搅拌使其溶解；
[0016](3)向步骤(2)所得溶液中加入D
‑
葡萄糖酸内酯，搅拌使其溶解后将所得溶液过夜冷藏形成离子交联凝胶；
[0017](4)将步骤(3)所得离子交联凝胶进行机械破碎为粗凝胶颗粒，再利用注射器与滤器将粗凝胶颗粒过滤为细凝胶颗粒，并使用行星式搅拌仪对其进行脱泡，得到可用于嵌入式3D打印的水凝胶基质材料。
[0018]在本专利技术的一个具体实施方式中，所述水凝胶基质材料的制备方法如下：
[0019](1)将丙烯酰胺和海藻酸钠在加热条件下，通过磁力搅拌溶于去离子水中，得到透明的粘溶液；
[0020](2)将步骤(1)所得的粘溶液冷却至25℃以下，加入N,N
‑
亚甲基丙烯酰胺水溶液和过硫酸铵，然后加入EDTA
‑
CaCl2(乙二胺四乙酸
‑
氯化钙)水溶液，搅拌使其溶解；
[0021](3)向步骤(2)所得溶液中加入D
‑
葡萄糖酸内酯，搅拌使其溶解后将所得溶液过夜冷藏形成海藻酸钙凝胶；
[0022](4)利用磨粉机将步骤(3)所得海藻酸钙凝胶机械破碎为粗凝胶颗粒，再利用注射器与滤器将粗凝胶颗粒过滤为细凝胶颗粒，并使用行星式搅拌仪(Thinky行星搅拌仪)对其进行脱泡，得到可用于嵌入式3D打印的水凝胶基质材料。
[0023]前述的方法步骤(1)中海藻酸钠、丙烯酰胺和去离子水的质量比为(0.6
‑
1.4)：(6
‑
10)：55，其中海藻酸钠的比例会影响步骤(4)中所得基质凝胶的最终流变学特性。
[0024]前述的方法步骤(2)中丙烯酰胺、N,N
‑
亚甲基丙烯酰胺(交联剂)和过硫酸铵(热引发剂)的质量比为1：(0.00082
‑
0.04)：(0.01
‑
0.05)。其中交联剂的比例会影响基质胶固化为水凝胶后的力学性能。
[0025]前述的方法，海藻酸钠、pH8
‑
9的0.25M EDTA
‑
CaCl2水溶液和D
‑
葡萄糖酸内酯的质量比为1：(1.3
‑
3.0)：(0.48
‑
1.12)。
[0026]优选地，步骤(4)中所用的注射器、滤器孔径为20
‑
50μm。
[0027]第三方面，本专利技术提供一种可用于3D打印的导电材料，将所述水凝胶基质材料与聚乙烯吡咯烷酮水溶液、甘油和微米银片用行星式搅拌仪混合均匀后，转移至料筒中离心脱泡，得到可用于3D打印的导电材料(可挤出打印的导电墨水)。
[0028]优选地，水凝胶基质材料、40％wt聚乙烯吡咯烷酮水溶液、甘油和微米银片的质量比为1：(0.02
‑
0.1)：(0.05
‑
0.1)：(0.5
‑
1.5)。聚乙烯吡咯烷酮的分子量为44000
‑
54000Da。
[0029]优选地，微米银片尺寸为2
‑
10μm。微米银片的比例可影响浆料固化后的导电性。
[0030]优选地，离心条件为：18℃，2000
‑
2500g(更优选2500g)离心10min。
[0031]第四方面，本专利技术提供一种3D打本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶基质材料，其特征在于，所述水凝胶基质材料是将可离子交联的高分子化合物、可自由基聚合的单体、交联剂和引发剂溶于去离子水中，然后引入金属离子使高分子化合物通过配位键进行离子交联，并将所得凝胶破碎为微米凝胶颗粒得到的；其中，所述引发剂为热引发剂或光引发剂。2.根据权利要求1所述的水凝胶基质材料，其特征在于，所述水凝胶基质材料的制备方法包括：(1)将可离子交联的高分子化合物和可自由基聚合的单体在加热条件下，通过磁力搅拌溶于去离子水中，得到透明的粘溶液；(2)将步骤(1)所得的粘溶液冷却至25℃以下，加入交联剂、引发剂、金属离子的乙二胺四乙酸螯合物，搅拌使其溶解；(3)向步骤(2)所得溶液中加入D
‑
葡萄糖酸内酯，搅拌使其溶解后将所得溶液过夜冷藏形成离子交联凝胶；(4)将步骤(3)所得离子交联凝胶进行机械破碎为粗凝胶颗粒，再利用注射器与滤器将粗凝胶颗粒过滤为细凝胶颗粒，并使用行星...

【专利技术属性】
技术研发人员：周南嘉，惠岳，余晔恬，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：