柔性电子材料、透气透湿电子元件、柔性电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性电子材料、透气透湿电子元件、柔性电路及方法，涉及柔性电子材料和柔性电路技术领域。柔性电子材料由导电区域和绝缘区域组成，导电区域由吸墨材料、纤维或纱线制成，绝缘区域由拒墨材料、纤维或纱线制成；吸墨材料、纤维或纱线是指可吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能通过毛细管力扩散导电墨水；拒墨材料、纤维或纱线是指不吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能抑制导电墨水的扩散，导电墨水是油基的或水基的。本发明专利技术解决了传统的印刷技术中必须频繁更换模板、丝网或墨盒的问题，可以和各种纺织技术或3D打印技术结合，技术成熟且成本低廉，同时还保持了纺织品结构的固有特性，例如可拉伸、可弯曲、透气、透湿的特性。特性。特性。

【技术实现步骤摘要】
柔性电子材料、透气透湿电子元件、柔性电路及方法


[0001]本专利技术涉及柔性电子材料和柔性电路
，尤其涉及一种柔性电子材料及其制备方法，以及由该柔性电子材料制作的透气透湿电子元件、柔性电路和智能终端。

技术介绍

[0002]近年来，柔性电子及智能可穿戴装置与服装等智能终端的制备广受关注。传统电子服装通常将显示器、传感器或转换器植入到日常衣物中或通过使用金属线而制成，缺点是服装穿起来不舒适，且商用的金属线的种类局限于不锈钢/涤纶混纺和银涂层尼龙线，以及在制造过程中导电层极易被机器外力损伤和磨损而产生裂纹。
[0003]打印技术可以直接在基底上沉积导电材料来替代使用金属线。丝网印刷已经被广泛用于在织物上形成导电图案，但需要使用较高浓度的导电墨水/浆料，且一个模板只对应一个图案，因此墨水制备和设计灵活性限制了该技术的发展。另外，较厚的导电涂层影响可穿戴装置透气性、透湿性、柔软性等穿戴舒适性。虽然喷墨打印可以形成较薄的导电层，但由于导电墨水的粘度非常小，毛细渗透作用会使液滴穿透织物并向四周扩散。因此，喷墨打印图案分辨率很差，无法达到实际应用的要求。常见的解决方案是在基底上涂层来克服粗糙表面，但同样会降低透气性、透湿性、柔软性等穿戴舒适性，这为打印技术在纺织品上的应用和发展带来了困难和挑战。
[0004]因此，本领域仍需要开发一种更自动化地在纺织材料上实现导电图案，同时具有清晰的图像质量和保持原本的织物结构、透气性、透湿性、柔软性等穿戴舒适性。
[0005]通过导电墨水在毛细管道里渗透自发的实现导电图案是一种可以替代传统打印技术的新方法。Hamedi(Hamedi,M.M.,Ainla,A.,G
ü
der,F.,Christodouleas,D.C.,Fern
á
ndez
‑
Abedul,M.T.and Whitesides,G.M.,2016.Integrating electronics and microfluidics on paper.Advanced Materials,28(25),pp.5054
‑
5063)通过蜡印技术在亲水的纸上形成疏水区域，因此，碳纳米管和PEDOT:PSS墨水可以在纸上扩散形成导电区域。类似的，Hyun(Hyun,W.J.,Secor,E.B.,Kim,C.H.,Hersam,M.C.,Francis,L.F.and Frisbie,C.D.,2017.Scalable,self
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aligned printing of flexible graphene micro
‑
supercapacitors.Advanced Energy Materials,7(17),p.1700285)用印章在覆盖了一层可用紫外线固化聚合物的薄膜上刻出毛细通道，同时用紫外线固化该图案。石墨烯墨水可以在毛细通道里渗透实现超级电容器的应用。但是将这些技术应用到纺织品上，聚合物会填满纤维间的孔隙，显著降低织物透气性、透湿性、柔软性等穿戴舒适性。
[0006]鉴于上述原因，本专利技术提供了一种柔性电子材料及其制备方法、由柔性电子材料制作的透气透湿电子元件、柔性电路和智能终端，可通过纺织技术和/或3D打印技术将吸墨材料和拒墨材料结合在一起来，通过选择亲墨材料、纤维或纱线形成吸墨区域，通过毛细管力扩散导电墨水来制备导电线路，以实现低损耗、低耗能的生产过程，进一步解决现有技术无法平衡控制导电墨水的扩散和保持柔性电子材料穿戴舒适性的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术是用移液枪、滴管、喷墨打印、丝网印刷、浸渍的方法将低粘度高表面张力的导电墨水滴到吸墨区域，导电墨水因为毛细管力会沿着吸墨材料、纤维或纱线扩散，直到溶剂的前端接触拒墨区域，拒墨区域将抑制导电墨水的进一步扩散来提高图案分辨率。
[0008]一种柔性电子材料，由导电区域和绝缘区域组成，所述导电区域由吸墨材料、纤维或纱线制成，所述绝缘区域由拒墨材料、纤维或纱线制成；所述吸墨材料、纤维或纱线是指可吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能通过毛细管力扩散导电墨水；所述拒墨材料、纤维或纱线是指不吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能抑制导电墨水的扩散，所述导电墨水是油基的或水基的。
[0009]进一步的，所述导电墨水的粘度小于20cps，表面张力大于20mN/m，具有小于微米级的颗粒或薄片。作为优选，对于油基导电墨水，所述导电墨水的粘度范围在1
‑
10cps以内，表面张力范围在30
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50mN/m以内，具有纳米级的颗粒或薄片；对于水基导电墨水，所述导电墨水的粘度范围在1
‑
20cps以内，表面张力范围在40
‑
72mN/m以内，具有纳米级的颗粒或薄片。
[0010]进一步的，所述吸墨材料、纤维或纱线具有小于N1°
的接触角，大于N2°
的毛细倾斜角和大于N3的有效毛细管半径的纱线；所述拒墨材料、纤维或纱线具有大于N4°
的接触角，小于N5°
的毛细倾斜角，大于N6的弯曲度和小于N7的有效毛细管半径的纱线。作为优选，N1＝30，N2＝60，N3＝1.5μm，N4＝90，N5＝10，N6＝2，N7＝1μm。
[0011]进一步的，对于油基导电墨水，所述吸墨材料、纤维或纱线是纤维素材料、棉纤维或棉纱线，角蛋白材料、毛纤维或毛纱线，纤维素材料、麻纤维或麻纱线，聚对苯二甲酸乙二酯材料、涤纶纤维或涤纶纱线，或聚丙烯材料、丙纶纤维或纱线，所述拒墨材料、纤维或纱线是十三氟硅烷涂层材料、纤维或纱线，聚二甲基硅氧烷涂层材料、纤维或纱线，聚氨酯涂层材料、纤维或纱线，聚四氟乙烯涂层材料、纤维或纱线，或熔融纺聚偏二氟乙烯材料、纤维或纱线；对于水基导电墨水，所述吸墨材料、纤维或纱线是纤维素材料、棉纤维或纱线，所述拒墨材料、纤维或纱线是角蛋白材料、纤维或纱线，聚对苯二甲酸乙二酯材料、涤纶纤维或纱线，聚丙烯材料、丙纶纤维或纱线，或聚酰胺材料或尼龙纤维或纱线。
[0012]进一步的，作为优选，所述油基的导电墨水是指纳米银墨水、铜颗粒、石墨烯或碳纳米管墨水；所述水基的导电墨水是指氧化石墨烯、MXene或PEDOT:PSS墨水。
[0013]进一步的，所述柔性电子材料的结构是针织的、机织的、混合3D针织的、混合3D机织的,无纺的、刺绣的、或3D打印的。
[0014]进一步的，所述柔性电子材料的结构是由导电材料和绝缘材料组成的2维或3维的多孔电子材料。
[0015]本专利技术的另一方面，一种柔性电子材料的制备方法，所述柔性电子材料由导电区域和绝缘区域组成，所述导电区域由吸墨材料、纤维或纱线制成，所述绝缘区域由拒墨材料、纤维或纱线制成；所述吸墨材料、纤维或纱线是指可吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能通过毛细管力扩散导电墨水；所述拒墨材料、纤维或纱线是指不吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能抑制导电墨水的扩散；所述柔性电子材料的制备方法包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性电子材料，由导电区域和绝缘区域组成，所述导电区域由吸墨材料、纤维或纱线制成，所述绝缘区域由拒墨材料、纤维或纱线制成；其特征在于，所述吸墨材料、纤维或纱线是指可吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能通过材料、纤维或纱线的毛细管力扩散导电墨水；所述拒墨材料、纤维或纱线是指不吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能抑制导电墨水的扩散，所述导电墨水是油基的或水基的。2.如权利要求1所述的柔性电子材料，其特征在于，所述导电墨水的粘度小于20cps，表面张力大于20mN/m，具有小于微米级的颗粒或薄片。3.如权利要求2所述的柔性电子材料，其特征在于，所述导电墨水具有纳米级的颗粒或薄片；对于油基导电墨水，所述导电墨水的粘度范围在1
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10cps以内，表面张力范围在30
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50mN/m以内；对于水基导电墨水，所述导电墨水的粘度范围在1
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20cps以内，表面张力范围在40
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72mN/m以内。4.如权利要求1所述的柔性电子材料，其特征在于，所述吸墨材料、纤维或纱线具有小于N1°
的接触角，大于N2°
的毛细倾斜角和大于N3的有效毛细管半径的材料、纤维或纱线；所述拒墨材料或纤维或纱线具有大于N4°
的接触角，小于N5°
的毛细倾斜角，大于N6的弯曲度和小于N7的有效毛细管半径的材料、纤维或纱线。5.如权利要求4所述的柔性电子材料，其特征在于，N1＝30，N2＝60，N3＝1.5μm，N4＝90，N5＝10，N6＝2，N7＝1μm。6.如权利要求1～5中任一权利要求所述的柔性电子材料，其特征在于，对于油基导电墨水，所述吸墨材料、纤维或纱线是纤维素材料、棉纤维或棉纱线，角蛋白材料、毛纤维或毛纱线，纤维素材料、麻纤维或麻纱线，聚对苯二甲酸乙二酯材料、涤纶纤维或涤纶纱线，或聚丙烯材料、丙纶纤维或纱线，所述拒墨材料、纤维或纱线是十三氟硅烷涂层材料、纤维或纱线，聚二甲基硅氧烷涂层材料、纤维或纱线，聚氨酯涂层材料、纤维或纱线，聚四氟乙烯涂层材料、纤维或纱线，或熔融纺聚偏二氟乙烯材料、纤维或纱线；对于水基导电墨水，所述吸墨材料、纤维或纱线是纤维素材料、棉纤维或纱线，所述拒墨材料、纤维或纱线是角蛋白材料、纤维或纱线，聚对苯二甲酸乙二酯材料、涤纶纤维或纱线，聚丙烯材料、丙纶纤维或纱线，或聚酰胺材料或尼龙纤维或纱线。7.如权利要求1～5所述的柔性电子材料，其特征在于，所述油基的导电墨水包括纳米银墨水，铜颗粒、石墨烯或碳纳米管墨水；所述水基的导电墨水包括氧化石墨烯、MXene或PEDOT:PSS墨水。8.如权利要求1～5中任一权利要求所述的柔性电子材料，其特征在于，所述柔性电子材料的结构是针织的、机织的、混合3D针织的、混合3D机织的,无纺的、刺绣的、或3D打印的。9.如权利要求1～5中任一权利要求所述的柔性电子材料，其特征在于，所述柔性电子材料的结构是由导电材料和绝缘材料组成的2维或3维的多孔电子材料。10.一种柔性电子材料的制备方法，所述柔性电子材料由导电区域和绝缘区域组成，所述导电区域由吸墨材料、纤维或纱线制成，所述绝缘区域由拒墨材料、纤维或纱线制成；所述吸墨材料是指可吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能通过材料、纤维或纱线的毛细管力扩散导电墨水；所述拒墨材料、纤维或纱线是指不吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能抑制导电墨水的扩散，其特征在于，用移液枪、滴管、喷墨打印、丝网印刷或浸渍法将所述导电墨水滴到吸墨材料、纤维或纱线，所述吸墨材料、纤维或纱线将所述导电墨水扩散至整个导
电区域，所述导电墨水中的导电纳米颗粒移动并沉积在所述导电区域的材料内表面、纤维表面或纱线表面。11.如权利要求10所述的柔性电子材料的制备方法，其特征在于，所述柔性电子材料至少具有下列特性之一：所述导电墨水的粘度小于20cps，表面张力大于20mN/m，具有小于微米级的颗粒或薄片；所述导电墨水具有纳米级的颗粒或薄片；对于油基导电墨水，所述导电墨水的粘度范围在1
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10cps以内，表面张力范围在30
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50mN/m以内；对于水基导电墨水，所述导电墨水的粘度范围在1
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20cps以内，表面张力范围在40
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72mN/m以内；所述吸墨材料、纤维或纱线具有小于N1°
的接触角，大于N2°
的毛细倾斜角和大于N3的有效毛细管半径的材料、纤维或纱线；所述拒墨材料或纤维或纱线具有大于N4°
的接触角，小于N5°
的毛细倾斜角，大于N6的弯曲度和小于N7的有效毛细管半径的材料、纤维或纱线，其中，N1＝30，N2＝60，N3＝1.5μm，N4＝90，N5＝10，N6＝2，N7＝1μm；对于油基导电墨水，所述吸墨材料、纤维或纱线是纤维素材料、棉纤维或棉纱线，角蛋白材料、毛纤维或毛纱线，纤维素材料、麻纤维或麻纱线，聚对苯二甲酸乙二酯材料、涤纶纤维或涤纶纱线，或聚丙烯材料、丙纶纤维或纱线，所述拒墨材料、纤维或纱线是十三氟硅烷涂层材料、纤维或纱线，聚二甲基硅氧烷涂层材料、纤维或纱线，聚氨酯涂层材料、纤维或纱线，聚四氟乙烯涂层材料、纤维或纱线，或熔融纺聚偏二氟乙烯材料、纤维或纱线；对于水基导电墨水，所述吸墨材料、纤维或纱线是纤维素材料、棉纤维或纱线，所述拒墨材料、纤维或纱线是角蛋白材料、纤维或纱线，聚对苯二甲酸乙二酯材料、涤纶纤维或纱线，聚丙烯材料、丙纶纤维或纱线，或聚酰胺材料或尼龙纤维或纱线；所述油基的导电墨水包括纳米银墨水，铜颗粒、石墨烯或碳纳米管墨水；所述水基的导电墨水包括氧化石墨烯、MXene或PEDOT:PSS墨水；所述柔性电子材料的结构是针织的、机织的、混合3D针织的、混合3D机织的,无纺的、刺绣的、或3D打印的；所述柔性电子材料的结构是由导电材料和绝缘材料组成的2维或3维的多孔电子材料。12.一种由柔性电子材料制作的透气透湿电子元件，所述柔性电子材料由导电区域和绝缘区域组成，所述导电区域由吸墨材料、纤维或纱线制成，所述绝缘区域由拒墨材料、纤维或纱线制成；所述吸墨材料、纤维或纱线是指可吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能通过材料、纤维或纱线的毛细管力扩散导电墨水；所述拒墨材料是指不吸附导电墨水的材料、纤维或纱线，能抑制导电墨水的扩散，其特征在于，所述透气透湿电子元件由所述柔性电子材料制成，所述透气透湿电子元件的透气性至少为71m
‑2s，透湿性至少为31g m
‑2day。13.如权利要求12所述的由柔性电子材料制作的透气透湿电子元件，其特征在于，所述柔性电子材料至少具有下列特性之一：所述导电墨水的粘度小于20cps，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翼，易杨佩奇，
申请(专利权)人：宁波亨励数字科技有限公司，
类型：发明
国别省市：