一种可压印激活的透气可拉伸电路及其制备方法和应用

本发明涉及柔性电子，尤其是指一种可压印激活的透气可拉伸电路及其制备方法和应用。

背景技术：

1、可拉伸电子产品和系统因其在可穿戴电子产品、软机器人、人机接口和生物电子设备中的应用而引起了人们的极大兴趣。可拉伸电子的一个关键方面是可拉伸导体的发展。许多研究都集中在通过使用弯曲、褶皱设计或分散喷涂等方法将金属纳米线或导电聚合物等刚性导体结合到弹性基底中，创造宏观可变形导体。然而，导电材料的固有刚性往往会在长期变形过程中损害可拉伸导体的稳定性。金属纳米线在重复外力作用下的偏析和导电聚合物的开裂等问题导致可拉伸导体的导电性出现不可逆的下降。相比之下，镓基液态金属(lm)也因其优异的变形能力而受到广泛关注，同时在室温下具有极高的导电性。

2、为了规避液态金属的低粘度和高表面张力以及非导电ga2o3氧化层的自发形成所带来的挑战，基于液态金属的金属丝通常需要复杂的制造工艺，如烧结、转移印刷或掺杂处理。这些复杂性限制了可拉伸电子器件设计的可扩展性和灵活性。此外，常用于拉伸导体的弹性基底是不透水的薄膜，与人体皮肤的粘附性和兼容性较差。这使其不太适合长期应用，如医疗保健监测，甚至可能对健康产生炎症或过敏影响。可负载液态金属的纳米纤维网最近受到了关注，因为液态金属可通过涂层或喷涂渗入纳米纤维的间隙，在拉伸过程中形成网格状导电路径。由此产生的材料在保持良好透气性的同时，还具有高导电性和延伸性。然而，现有的研究通常依赖于涂覆或喷涂等方法。由于液态金属的表面张力高，与聚合物纤维网络的界面相容性差，因此在宏观层面上，液态金属和聚合物网络通常表现为两层，即液态金属导电层和聚合物支撑层。这两层之间的附着力较差，容易导致液态金属泄漏，从而导致制备的电路精度较低，难以实现良好的循环拉伸稳定性，这已成为业界的一个难题。也就是说，目前现有技术的缺点为：1、现有可拉伸电路均缺少透气性能；2、现有可拉伸电路的电路线宽较大，精度较低；3、导电通路的激活较难，难以快速制备。

3、因此，如何制作稳定、精确的导电电路，以及如何缓解液态金属与基底弹性网络之间严重的界面问题，已成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种可压印激活的透气可拉伸电路及其制备方法和应用。本发明通过纳米纤维膜的使用保证透气性和可拉伸性。由于液态金属颗粒与纤维直径相匹配，从而可通过压印可以使纳米纤维内部的液态金属溢出组成导电通路，实现电路的高精度制备。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、本发明第一个目的是提供一种可压印激活的透气可拉伸电路的制备方法，包括以下步骤：

4、将热塑性聚合物溶于溶剂中，加入液态金属粒子混合分散，得到混合液；

5、将所得混合液进行静电纺丝，制备得到纳米纤维膜；

6、将具有电路图案的冲压模型对所得纳米纤维膜进行冲压，得到可压印激活的透气可拉伸电路。

7、在本发明的一个实施例中，所述热塑性聚合物选自聚氨酯、pvdf、pvdf-hfp、pva、sbs和sebs中的一种或多种。

8、在本发明的一个实施例中，所述溶剂选自六氟异丙醇、四氢呋喃、丙酮、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、水和二氯甲烷中的一种或多种。

9、在本发明的一个实施例中，所述液态金属粒子中的金属选自镓、镓铟合金、镓铟锡合金和铟锡铋合金中的一种或多种。

10、在本发明的一个实施例中，所述液态金属粒子通过以下方法制备得到：

11、将金属置于醇中超声处理，得到所述液态金属粒子。

12、在本发明的一个实施例中，所述液态金属粒子与所述热塑性聚合物溶液中热塑性聚合物的质量比为4-10：1。

13、在本发明的一个实施例中，所述纳米纤维膜中液态金属粒子的粒径与纤维的直径比为1：0.35-2。

14、在本发明的一个实施例中，所述静电纺丝满足以下条件中的一种或多种：

15、针头尺寸为20g-24g；

16、外加电压为6kv-15kv；

17、溶液进料速度为0.5ml h-1-1.2mlh-1；

18、纤维收集距离为8cm-16cm；

19、金属辊筒收集纤维膜的转速为120rpm-200rpm；

20、静电纺丝的湿度为40％。

21、在本发明的一个实施例中，所述冲压的条件为：所述纳米纤维膜的接触面所受压强为100kpa-1 mpa。

22、本发明第二个目的是提供所述制备方法制备得到的可压印激活的透气可拉伸电路。

23、本发明第三个目的是提供所述可压印激活的透气可拉伸电路在可穿戴电子产品、软机器人、人机接口或生物电子设备中的应用。

24、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

25、本发明中提供了一种透气可拉伸电路，利用压印技术和含液态金属的纳米纤维膜(lmnm)来创建灵活的个性化电路设计。通过对液态金属微粒和电纺纤维的适配性选择，可拉伸纳米纤维膜在高液态金属含量负荷下表现出卓越的特性，如超强的弹性(高达400％)和透湿性(2941g m-2d-1)。最初，液态金属颗粒在聚合物纳米纤维中处于半嵌入和未连接状态，此时该可拉伸纳米纤维膜具有电绝缘性。冲压过程会导致外部的液态金属颗粒破裂并穿透纳米网络间隙，从而在可拉伸纳米纤维膜内形成导电区域。纤维内部的液态金属颗粒成为固定的锚点，而溢出的液态金属则在同一平面上与纳米纤维紧密结合，这大大提高了液态金属与聚合物纤维之间的界面相容性。这种工艺方便了图案化电路的后期制作，为个性化电路设计提供了更大的灵活性。这些电路与各种电子元件集成后，可实现多种功能，如输出方波信号、照明电路和无线充电。此外，制造出的柔性电子元件精度高，最小线宽为50微米，循环稳定性好，可循环使用30000次以上。其优异的生物相容性和渗透性使其适用于收集生物电信号，如心电图(ecg)和肌电图(emg)，在柔性电子领域的应用前景广阔。这项技术还被认为是环保的，因为在使用后，聚合物部件和液态金属粒子都可以方便地分离和回收。此外，还对制备拉伸纳米纤维膜的各种常用聚合物进行了实验研究，显示了该技术在柔性电子领域的巨大潜力。

技术特征：

1.一种可压印激活的透气可拉伸电路的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性聚合物选自聚氨酯、pvdf、pvdf-hfp、pva、sbs和sebs中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自六氟异丙醇、四氢呋喃、丙酮、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、水和二氯甲烷中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液态金属粒子中的金属选自镓、镓铟合金、镓铟锡合金和铟锡铋合金中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液态金属粒子与所述热塑性聚合物溶液中热塑性聚合物的质量比为4-10：1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维膜中液态金属粒子的粒径与纤维的直径比为1：0.35-2。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝满足以下条件中的一种或多种：

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冲压的条件为：所述纳米纤维膜的接触面所受压强为100kpa-1 mpa。

9.根据权利要求1-8任一项所述制备方法制备得到的可压印激活的透气可拉伸电路。

10.权利要求9所述可压印激活的透气可拉伸电路在可穿戴电子产品、软机器人、人机接口或生物电子设备中的应用。

技术总结
本发明涉及一种可压印激活的透气可拉伸电路及其制备方法和应用，属于柔性电子技术领域。本发明的可压印激活的透气可拉伸电路的制备方法，包括以下步骤：将热塑性聚合物溶于溶剂中，加入液态金属粒子混合分散，得到混合液；将所得混合液进行静电纺丝，制备得到纳米纤维膜；将具有电路图案的冲压模型对所得纳米纤维膜进行冲压，得到可压印激活的透气可拉伸电路。本发明通过纳米纤维膜的使用保证透气性和可拉伸性。由于液态金属颗粒与纤维直径相匹配，从而可通过压印可以使纳米纤维内部的液态金属溢出组成导电通路，实现电路的高精度制备。

技术研发人员：严锋,郑思洁
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12