[发明专利]一种基于电化学聚合的聚吡咯微增材制造方法

说明书

本发明属于电化学增材制造技术领域，具体涉及一种基于电化学聚合的聚吡咯微增材制造方法。本发明公开了一种基于电化学聚合的聚吡咯微增材制造方法，能够使聚吡咯的合成与成型一步完成，减少分步加工过程中“边角料”的损失；同时能够满足微增材制造均匀连续性的要求，实现了聚吡咯在电化学微增材制造领域中应用的可行性，为导电高分子聚吡咯的3D微增材制造提供新的思路；此外，还突破了传统增材制造合成工艺只能进行平面合成的局限性，可以根据人为意愿来进行不同形状的3D聚吡咯产品的成型设计。

技术领域

本发明属于电化学增材制造技术领域，具体涉及一种基于电化学聚合的聚吡咯微增材制造方法。

背景技术

电化学沉积3D打印技术，又称电化学增材制造技术，与传统的合成工艺相比，能使目标产物与成型在一步内完成，从而降低了制备工艺的难度；同时与用粉末状材料粘合的传统3D打印技术相比，电化学直写3D打印可以实现尺寸更小的微纳米精度的结构设计，比如微小孔、3D支柱阵列的打印等。最重要的是，电化学直写3D打印突破了传统合成工艺在增材制造领域只能合成“2D平面”的局限，可以根据人为意愿来进行“3D立体”设计。

起初，高分子材料都被用于制备绝缘材料，直至导电高分子被科学家发现。导电高分子既具有导电性能，又具有高分子在可设计性、可加工性方面的优势，在电子器件领域极具应用前景，它的出现不仅打破了高分子绝缘的传统观念，而且催发了低维固体电子学、分子电子学等新学科的建立和完善。导电高分子相比于传统金属而言，其优越性在于兼具良好的电化学性能和有机高分子材料的性能。有研究表明，高导电材料特别适合于可伸缩电子器件的开发，密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜等特点使其不仅可以作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且也在许多先进工业和尖端技术领域逐渐崭露头角，应用前景十分广阔。

聚吡咯是一种性能良好的导电高分子材料。当前，聚吡咯的聚合方法主要分为电化学聚合法和化学聚合法(氧化还原法)两种。其中，电化学聚合法是将聚合单体溶解于溶液中，通过外加电压的方式提供驱动力，提供聚合反应所需要的能量，促使单体聚合为聚合物(一般在阳极聚合)。化学氧化法则主要是通过在溶解聚合单体的溶液中加入适量氧化剂，使得单体在体系中直接发生反应生成聚合物。常见的电化学3D打印沉积技术可以分为电铸式技术、局部电沉积技术和基于弯月面引导的电化学沉积技术三类。其中，基于弯月面引导的电化学沉积技术包括单针头和双针头两种电化学直写3D打印技术。与化学聚合法相比，电化学聚合法有如下优点：(1)实验条件要求简便，常温下即可反应；(2)工艺流程简单，可多步合成，大幅缩短实验步骤；(3)聚合物的掺杂、聚合以及成膜可在工作电极上一步完成，且可以通过控制反应条件(如电流、电压)来控制成膜厚度；(4)反应易于控制，可通过电源开关来控制反应的开始、暂停和结束；(5)可通过调整电解液组成和工艺参数得到不同结构及性能的高分子膜，适应不同用途的要求；(6)原料单体直接在基底上聚合成膜，不需使用大量挥发性有机溶剂，清洁生产；(7)可与3D打印技术相结合，实现微区域内的电化学聚合，多应用于微型电子器件制备领域。因此，聚吡咯的电化学增材制造主要采用的是电化学聚合法。

虽然，电化学沉积3D打印技术凭借其诸多优势向我们展示了其未来应用的巨大潜力。但是对于聚吡咯来说，其在基底表面沉积的速度通常难以跟上打印针头移动的速度，因此难以保证打印沉积底物的连续性，就像用钢笔写字时，手已经划过去，但由于墨水没有映在纸上而出现“断水”现象，这不仅导致其电化学性能随着沉积物连续性被破坏而显著下降，同时导致生产速率过慢，进而难以满足其走向市场应用的产能效率条件。

因此，有必要开发出一种可行的基于电化学聚合的聚吡咯微增材制造方法，以突破聚吡咯目前应用在电化学微增材制造方面的速率较慢、打印连续性不足的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于电化学聚合的聚吡咯微增材制造方法，突破了聚吡咯体系在电化学微增材制造方面的应用瓶颈(速率较慢、打印连续性不足等)，通过合适的工艺参数设置实现了导电高分子体系在电化学沉积3D打印的应用。