[发明专利]一种用于丝网印刷和3D打印的MXene纳米片胶体及其制备方法

说明书

一种用于丝网印刷和3D打印的MXene纳米片胶体及其制备方法。利用二维MXene纳米片作为主体材料，以少量金属离子或氨类分子作为交联剂，通过氢键或螯合作用等方式将纳米片交联，形成具有特殊流变性的油墨，可用于丝网印刷和挤出式3D打印。同时，由于所用的交联剂含量较少，可以最大化保存纳米片的优良性能。本发明中的胶体通过高精度丝网印刷和挤出式3D打印技术打印，无需任何高温加热、焙烧和固化，即可得到性能优异、具有优良的成型效果的平面二维和高精度三维结构图案化和结构化的功能材料。本发明所述胶体的制备方法简便，可采用3D打印技术构建电子器件，在电路电极、能源、传感、抗静电和电磁屏蔽等领域都有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料，导电墨水以及印刷电子产品技术领域，具体涉及一种用于丝网印刷和3D打印的MXene纳米片胶体的制备方法。在印刷法构建微型储能器件、柔性电极、电子元器件、传感器、电磁屏蔽器件等领域具有广阔的应用前景。

背景技术

以丝网印刷和3D打印技术为代表的增材制造技术，是一类先进的加工方法的统称。基于其快速、可定制生产、绿色制造的特点，被广泛应用于军事武器研发、航天精工、医疗器械等诸多高端领域，也可用于微电子器件的构建。通过丝网印刷和3D打印技术来制备微电子器件对打印油墨的流变特性和功能性都有着较高要求。为了满足这些特点要求，上述打印功能油墨的制备一般会把具有优异本征物理特性的微纳米功能材料与具有流变性的非功能性高分子主体材料(如水性胶体，热塑性树脂，热固性树脂、光固化树脂等等)相复合以同时满足打印对油墨打印性以及目标器件对油墨功能性和结构性的要求。例如，中国专利文献CN 105482394 A公开了一种高导电率的3D打印耗材及其制备方法，包含塑料基体40～80份，改性淀粉30-70份，聚丙烯15～25份，碳纳米管5～10份；中国专利文献CN105482394 A。但是，由于大量的非功能性材料的引入，一方面将会极大地影响到打印材料的功能性，降低目标器件的性能；如果通过后处理技术在打印成型后把非功能性材料除去，又很容易破坏打印结构的力学性能，降低目标器件的机械稳定性能。另一方面，微纳米功能材料在非功能性主体材料中很容易产生团聚或聚沉等，极大地降低功能油墨的打印性和功能性，同时也限制了可利用的微纳米功能材料的种类。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明利用有高长厚比的二维过渡金属碳化物MXene作为主体材料，以高价金属离子、氨类分子为交联剂构建高粘度的可打印功能胶体。MXene表面含有丰富的带负电荷的官能团，这有助于在水溶液中的均匀分散，加入少量的交联剂即可辅助纳米片形成动态可恢复的三维交联网络，交联网络中材料的表面张力会对液体的流动造成阻碍，进而得到有良好流变性的可印刷胶体。同时，由于所用的交联剂等非功能助剂含量较少，可以最大化保存纳米片的优良性能。本发明中的胶体通过高精度丝网印刷和挤出式3D打印技术打印，无需任何高温加热焙烧和固化，即可得到性能优异、具有优良的成型效果的平面二维和高精度三维结构图案化和结构化的功能材料。本发明所述胶体的制备方法简便，可采用丝网印刷和3D打印技术构建电子器件。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于丝网印刷和3D打印的MXene纳米片胶体，胶体组分及质量百分比：

i.二维MXene纳米片主体材料，0.1-50％；

ii.氨类分子和金属离子交联剂，0.04％到4％；

iii.表面活性剂，0-2％；

iv.溶剂，46％-99％。

进一步的，所述二维MXene纳米片是指过少层或多层渡族金属硫化物、过渡族金属碳化物中的一种，两种或两种以上组成的复合纳米片，表面的官能团包括-OH、-F或-O；其少层单片面积在1um²到100um²之间，纳米片的厚度在1-4nm。