[发明专利]一种自烧结液态金属墨水及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种自烧结液态金属墨水及其制备方法与应用。其中一种自烧结液态金属墨水，为由液态金属和纳米粘土分散液形成的纳米颗粒悬浮液，所述纳米粘土分散液包括纳米粘土和水基溶剂。上述自烧结液态金属墨水的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米粘土分散于所述水基溶剂中，制备纳米粘土分散液；(2)将液态金属加入到上述纳米粘土分散液中，并超声破碎至纳米颗粒，制得液态金属的纳米颗粒悬浮液，即所述自烧结液态金属墨水。本发明方法所制备的液态金属墨水能够在不使用额外的烧结操作情况下实现自烧结，从而形成导电通路。可作为导电墨水用于柔性电子、传感器、可穿戴设备以及人机接口等领域电子产品的印刷。

技术领域

本发明属于柔性电路印刷技术领域，具体涉及一种自烧结液态金属墨水及其制备方法与应用。

背景技术

柔性电子是指在柔性/可拉伸基底上设计电路、制造导体并负载功能性电子器件，最终实现特定电路功能的技术。相比于传统的电子技术，柔性电子技术的优势在于产品电路整体的柔性与可拉伸性，以及基于此特性的相关应用，如可穿戴电子设备、柔性传感器以及体内的可植入式医疗设备。柔性电子因其特有的灵活性与较强的适应性，正在被越来越多的用于人们的实际生产生活中。

液态金属(如镓铟合金/镓铟锡合金)是常见的用于柔性电子加工制造的材料之一，顾名思义，液态金属具备液体的流动性和金属的优越的导电性这两个优势，因而适合制造柔性/可拉伸、导电性好的柔性电路。液态金属图案化是柔性电路制造中一个非常重要的过程，对于制造具有高级功能的柔性电子来说只管重要，它是指在基底上制造出特定线路、图案的液态金属导电通路。然而，由于液态金属的表面张力较大、且暴露在空气中极易氧化形成氧化膜包覆的核壳结构，因而液态金属的图案化比较困难，且精度不高，液态金属的利用效率也比较低。

为了液态金属难以直接加工制造柔性电子产品的这一难题，文献(AdvancedMaterials,2015,27(14):2355.)将液态金属超声分散在含有3-巯基-N-壬基丙酰胺的乙醇溶液中形成纳米颗粒，然后通过刮划的机械方式烧结液态金属纳米颗粒获得预定的电路。诚然，将液态金属先分散成纳米颗粒的悬浮液然后进行烧结进而形成柔性电路的方式极大地提高了液态金属柔性电路的可加工性，但是文献(Advanced Materials,2015,27(14):2355.)中也存在很大的缺陷，一是材料体系中的3-巯基-N-壬基丙酰胺毒性较大，且价格昂贵，不适用于实际的生产生活应用；二是液态金属的纳米悬浮液图案化以后为了实现导电通路，还需要进行后续的机械烧结，费时费力，相比较与真正起到导电作用的液态金属来看，材料浪费很严重。

专利文献CN110240830A公开了一种基于液态金属颗粒的自烧结导电墨水、其制备方法及应用，其中，自烧结导电墨水包括液态金属、水溶性高分子、水和/或中性缓冲液。其应用中公开了自烧结导电墨水的导电机理，即当墨水中的水分蒸发后，墨水中的高分子逐渐成膜，紧缩，在水的张力和高分子成膜紧缩的作用下，液态金属氧化膜破裂，流出导电的液态金属内核，不同颗粒碱从而形成导电通路。但由于图案表面的高分子膜的存在，该导电图案并不具备拉伸性能。为了进一步具有拉伸性能，需要将导电图案至于清水中浸泡6～24h，以使高分子膜充分溶解于水中，加工工序复杂，耗时较长，生产效率较低，成本高。

综合现有的文献及研究成果来看，基于液态金属的柔性电子制备存在较大的问题，如材料利用率较低、加工比较困难、制造精度不高、制造过程有毒性以及工序复杂、成本太高等，而且一些创新性的工作也仅仅是解决了其中一到两个方面的问题，依然很难用于实际的生产制造。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种过程简易且易于操作、成本低廉、实用性高，便于实际工业化生产应用的液态金属纳米颗粒悬浮液墨水及其制备、应用方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术路线如下：

本发明提供一种自烧结液态金属墨水，为由液态金属和纳米粘土分散液形成的纳米颗粒悬浮液，所述纳米粘土分散液包括纳米粘土和水基溶剂。