本發(fā)明涉及一種復(fù)合墨水及其制備方法和在氣溶膠噴印共形電路中的應(yīng)用，屬于共性電路制備。

背景技術(shù)：

1、共形電子因其在曲面上集成電子系統(tǒng)帶來全新的特性和功能，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)。一方面，共形電子能夠準(zhǔn)確響應(yīng)非平面和動態(tài)表面上的外部刺激，滿足下一代傳感設(shè)備在安全、環(huán)境和健康監(jiān)測領(lǐng)域的強(qiáng)烈需求。另一方面，共形電子不受安裝空間的限制，具備微型化和輕量化的優(yōu)勢，已經(jīng)被應(yīng)用在智能植入物、共形顯示器、共形天線等領(lǐng)域。共形電子的巨大優(yōu)勢和廣泛應(yīng)用迫切地需要高分辨率、高導(dǎo)電性的共形電路。

2、傳統(tǒng)的電路制造技術(shù)提供了納米級分辨率，但光刻、蝕刻、摻雜等工藝與曲面不兼容?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)印技術(shù)可以間接生產(chǎn)大面積的曲面圖形，但僅提供毫米級分辨率。且將電子產(chǎn)品從平面組裝到曲面是另一種方法，然而復(fù)雜的過程和殘余應(yīng)力的潛在威脅限制了其應(yīng)用。其他方法，如非平面光刻和激光直接寫入可以在曲面基底上實現(xiàn)精細(xì)圖案，但依賴于昂貴的設(shè)備并導(dǎo)致更高的成本。相比之下，噴墨打印作為一種增材制造技術(shù)，提供了廣泛的材料兼容性、高分辨率、環(huán)保和成本效益等優(yōu)勢。

3、氣溶膠噴射打印是噴墨打印技術(shù)之一，由于鞘氣聚焦效應(yīng)，其工作距離超過2mm，更高的工作距離使其能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的表面形態(tài)。此外，由于鞘氣的保護(hù)，氣溶膠噴印可以兼容固含量高達(dá)50％的墨水而不出現(xiàn)噴嘴堵塞，墨水的高固含量確保了打印圖案對各種材質(zhì)的三維基底的優(yōu)異附著力。因此，氣溶膠噴印被認(rèn)為是最有前景的共形電路制備技術(shù)。

4、但目前用于共形電路制備的氣溶膠噴印墨水主要是納米銀墨水，然而其后處理溫度往往超過150℃，不適用于環(huán)氧樹脂、pet等聚合物基底，大大限制了共形電路的應(yīng)用范圍，因此需要開發(fā)具有低后處理溫度、高導(dǎo)電性的銀基氣溶膠墨水，以適應(yīng)不同種類的基底材料，促進(jìn)共形電子的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有共形電路存在的上述技術(shù)問題以及發(fā)展瓶頸，提供一種低后處理溫度就可以原位燒結(jié)的復(fù)合墨水，實現(xiàn)在聚合物基底上采用氣溶膠噴印方式制備共形電路。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的目的之一是提供一種復(fù)合墨水，該復(fù)合墨水由銀納米顆粒墨水和銀離子墨水混合制成；所述銀納米顆粒墨水包括球形銀納米顆粒、添加劑和混合溶劑；所述銀離子墨水包括銀源、溶劑、絡(luò)合劑和還原劑。

4、進(jìn)一步限定，球形銀納米顆粒的粒徑范圍為20～60nm，表面包覆劑為檸檬酸根。

5、進(jìn)一步限定，混合溶劑包括異丙醇、乙二醇、松油醇和去離子水。

6、更進(jìn)一步限定，混合溶劑以體積百分比計包括40～55vol％異丙醇，10～15vol％乙二醇，0.5～2vol％松油醇，余量為去離子水。

7、進(jìn)一步限定，添加劑包括氟碳表面活性劑和流平劑。

8、更進(jìn)一步限定，銀納米顆粒墨水中流平劑含量為1～3wt％，氟碳表面活性劑含量為0.1～0.2wt％，球形銀納米顆粒含量為35～45wt％。

9、更進(jìn)一步限定，流平劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的羧丙基甲基纖維素水溶液，羧丙基甲基纖維素分子量為66000；

10、進(jìn)一步限定，銀源為乙酸銀、灑石酸銀、檸檬酸銀、草酸銀、碳酸銀中一種或幾種混合。

11、進(jìn)一步限定，溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇中一種或幾種混合。

12、進(jìn)一步限定，絡(luò)合劑為乙胺、丙胺、乙二胺、丙二胺中一種或幾種混合。

13、進(jìn)一步限定，還原劑為甲酸和/或二乙醇胺。

14、進(jìn)一步限定，絡(luò)合劑中胺基摩爾含量與銀源中銀離子摩爾含量比為2：1。

15、本發(fā)明的目的之二是提供一種上述復(fù)合墨水的制備方法，該方法為：

16、首先，將球形銀納米顆粒分散在混合溶劑中，加入添加劑后攪拌均勻，得到銀納米顆粒墨水；

17、然后，將銀源分散在溶劑中，加入絡(luò)合劑和還原劑后攪拌均勻，得到銀離子墨水；

18、最后，將銀納米顆粒墨水和銀離子墨水混合，得到復(fù)合墨水。

19、進(jìn)一步限定，銀納米顆粒墨水和銀離子墨水體積比為2:0.05～0.08。

20、本發(fā)明的目的之三是提供一種上述復(fù)合墨水的應(yīng)用，具體的用于氣溶膠噴印共形電路。

21、進(jìn)一步限定，氣溶膠噴印參數(shù)為：霧化電壓20-47v，載氣流量0-100sccm，鞘氣流量0-200sccm，載氣流量>1.5，打印速度0.1-40mm/s，基板溫度50-150℃，打印完成后在50-150℃的恒溫箱中保存15-60min，獲得共性電路。

22、有益效果：

23、(1)本發(fā)明提供一種用于氣溶膠噴印制備共形電路的復(fù)合墨水，該復(fù)合墨水使用銀納米顆粒和銀離子復(fù)配，由于墨水的固含量約40％，且化成氣溶膠后經(jīng)過干燥、高速鞘氣的作用，溶劑會進(jìn)一步蒸發(fā)，沉積到基板上的氣溶膠液滴僅含有極低的液態(tài)組分，利用高固含量的納米銀顆粒墨水沉積到基板后顆粒間的毛細(xì)作用，使得含有銀離子的墨水填充在納米顆粒間的縫隙中，高粘度的沉積物提供了兼容各種材質(zhì)基板的優(yōu)良附著性和共形性能。并且墨水液態(tài)組分中的銀離子在加熱的基板和還原劑的共同作用下快速被原位還原，形成新的納米銀顆粒，隨著還原反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，生成的銀納米顆粒不斷長大并填充原有納米銀顆粒的縫隙，實現(xiàn)納米顆粒間的互連，從而提高了電路的導(dǎo)電性。使用該復(fù)合墨水進(jìn)行氣溶膠噴印，制備的共形電路在100℃的后處理溫度下，電導(dǎo)率達(dá)到了22.4μω·cm。打印得到的共形導(dǎo)線可以在曲面基底上實現(xiàn)高密度的電氣互連從而極大的減輕裝備重量。

24、(2)本發(fā)明使用的球形銀納米顆粒表面包覆檸檬酸根，具備親水性。同時利用氨基絡(luò)合劑與金屬離子形成配位鍵，降低陰離子對金屬離子的結(jié)合力從而大大提高了銀的溶解度，同時降低了后處理溫度。

25、(3)本發(fā)明中銀納米顆粒墨水與銀離子墨水的配比是一個關(guān)鍵參數(shù)，若銀離子墨水含量過高，則復(fù)合墨水固含量低，不能與基板保持良好的附著性，影響共形印刷性能。若銀離子墨水含量過低，經(jīng)過后處理僅有少量的銀離子被還原，不能獲得較高的導(dǎo)電性。

技術(shù)特征：

1.一種復(fù)合墨水，其特征在于，復(fù)合墨水由銀納米顆粒墨水和銀離子墨水混合制成；所述銀納米顆粒墨水包括球形銀納米顆粒、添加劑和混合溶劑；所述銀離子墨水包括銀源、溶劑、絡(luò)合劑和還原劑。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合墨水，其特征在于，球形銀納米顆粒的粒徑范圍為20～60nm，表面包覆劑為檸檬酸根；添加劑包括氟碳表面活性劑和流平劑；混合溶劑包括異丙醇、乙二醇、松油醇和去離子水。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合墨水，其特征在于，銀納米顆粒墨水中流平劑含量為1～3wt％，氟碳表面活性劑含量為0.1～0.2wt％，球形銀納米顆粒含量為35～45wt％。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合墨水，其特征在于，混合溶劑以體積百分比計包括40～55vol％異丙醇，10～15vol％乙二醇，0.5～2vol％松油醇，余量為去離子水。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合墨水，其特征在于，流平劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％的羧丙基甲基纖維素水溶液，羧丙基甲基纖維素分子量為66000。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合墨水，其特征在于，銀源為乙酸銀、灑石酸銀、檸檬酸銀、草酸銀、碳酸銀中一種或幾種混合；溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇中一種或幾種混合；絡(luò)合劑為乙胺、丙胺、乙二胺、丙二胺中一種或幾種混合；還原劑為甲酸和/或二乙醇胺。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的復(fù)合墨水，其特征在于，絡(luò)合劑中胺基摩爾含量與銀源中銀離子摩爾含量比為2：1。

8.一種權(quán)利要求1～7任一項所述的復(fù)合墨水的制備方法，其特征在于，首先，將球形銀納米顆粒分散在混合溶劑中，加入添加劑后攪拌均勻，得到銀納米顆粒墨水；然后，將銀源分散在溶劑中，加入絡(luò)合劑和還原劑后攪拌均勻，得到銀離子墨水；最后，將銀納米顆粒墨水和銀離子墨水混合，得到復(fù)合墨水。

9.一種權(quán)利要求1～7任一項所述的復(fù)合墨水的應(yīng)用，其特征在于，用于氣溶膠噴印共形電路。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合墨水的應(yīng)用，其特征在于，氣溶膠噴印參數(shù)為：霧化電壓20-47v，載氣流量0-100sccm，鞘氣流量0-200sccm，載氣流量>1.5，打印速度0.1-40mm/s，基板溫度50-150℃，打印完成后在50-150℃的恒溫箱中保存15-60min，獲得共性電路。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種復(fù)合墨水及其制備方法和在氣溶膠噴印共形電路中的應(yīng)用，屬于共性電路制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種低后處理溫度就可以原位燒結(jié)的復(fù)合墨水，實現(xiàn)在聚合物基底上采用氣溶膠噴印方式制備共形電路。本發(fā)明使用銀納米顆粒和銀離子復(fù)配制備用于氣溶膠噴印制備共形電路的復(fù)合墨水。該復(fù)合墨水利用高固含量的納米銀顆粒墨水沉積到基板上后顆粒間的毛細(xì)作用，使得含有銀離子的墨水填充在顆粒間的縫隙中，在加熱的基板上銀離子原位還原，生成的納米銀顆粒填充在原有的納米顆粒的縫隙中，大幅提升了共形電路的導(dǎo)電性。使用該復(fù)合墨水進(jìn)行氣溶膠噴印，制備的共形電路在100℃的后處理溫度下，電導(dǎo)率達(dá)到了22.4μΩ·cm。

技術(shù)研發(fā)人員：田艷紅,李庚,王尚,文嘉玥,馮佳運(yùn),吳芃
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30