一種柔性織物表面導電線路的構建方法

一種柔性織物表面導電線路的構建方法
【專利摘要】本發明屬于柔性電子材料技術領域，具體涉及一種柔性織物表面導電線路的構建方法。本發明提出的制備方法是以柔性織物為基體，利用針式打蠟技術與化學鍍技術結合，在其表面構建金屬電路圖形。具體工藝包括清潔織物、硅烷偶聯劑自組裝改性、針式打蠟、金納米溶膠活化以、化學鍍銅以及除蠟等。本發明所提出的柔性織物表面導電線路的構建方法具有以下優點：（1）蠟紙上的蠟是以固體形式轉移到織物表面，因此形成的蠟圖案精度高，對應得到的線路精度可控；（2）得到的銅導電線路連續、致密、電導率高，精度可控。本發明提出的柔性織物表面導電線路的構建方法，將針式打蠟技術與化學鍍技術結合，開創了一種全新的制備柔性電路的方法。
【專利說明】
一種柔性織物表面導電線路的構建方法
技術領域
[0001]本發明屬于柔性電子材料技術領域，具體涉及一種柔性織物表面導電線路的構建方法。
【背景技術】
[0002]柔性可穿戴電子(wearable electronics)以微型化設備穿戴于人體，并實現對人體生理信息的實時監測，在醫療、健康領域具有十分重要的應用，如電子皮膚、可穿戴心臟除顫器、置于隱形眼鏡中的柔性電路、可穿戴式心電呼吸傳感器等。柔性電子與傳統電子之間最根本的區別是在設計電路的基板上，即以柔性基板代替剛性基板。由于紡織品具有柔韌性和能夠隨意彎曲折疊等的特性，在研究柔性可穿戴電路時，柔性織物成為首選基底材料。柔性導電織物能夠滿足了人們對于可穿戴電路的輕便性、柔軟性和舒適性的要求。
[0003]現階段，柔性織物表面導電圖形的構建方法主要有以下兩類:1、利用紡織品織造工藝(針織、機織、刺繡)將導電紗編入織物的組織結構中。2、利用印刷技術(噴墨打印、絲網印刷)在織物上印制導電墨水或漿料，然后進行高溫燒結。針織或機織等編織方法可以將預制好的導電紗混編織入織物組織結構中，但受制于織物的組織紋路(經向或瑋向)，導電紗編入的方向只能垂直或平行于織物的布邊，這樣就限制了織物上導電圖案的自由設計。刺繡雖然在導電紗布線時有很好的設計自由度，但其對預制的導電紗柔韌性要求較高，并且在制備高精度線路時，成本高昂。噴墨打印或絲網印刷技術都比較依賴導電墨水或導電漿料的研制以及燒結工藝。常見織物大多為多孔材料，流體(墨水或漿料)在其表面浸潤時會產生“芯吸”現象，降低所得導電線路的精度。所以在實際生產中一般通過增大墨水或漿料的粘性來弱化這一現象，但是過大的粘度有時會堵塞噴墨孔或絲網孔。除此之外，燒結工藝使用的高溫條件會使一些高溫易降解的基底材料發生熱分解，因而現在柔性電子領域主要使用的基材仍為耐高溫的聚酰亞胺(PI)材料。很多印刷工藝通過制備含有細小金屬顆粒的導電墨水或漿料來降低預制金屬電路圖的燒結溫度，以拓寬所適用的基體范圍。
[0004]本發明針對現有工藝技術在織物表面構建導電線路時可控精度差、工藝成本高、基材可適用范圍窄等問題，提供一種減少工序，降低成本，提高效率的柔性織物表面導電線路的構建方法。基本原理是先將織物表面化學改性，改善織物的親水性，同時嫁接能夠配位吸附活化金屬粒子的有機官能團。再利用針式打蠟技術在織物上形成疏水區域(蠟圖案區)和親水區域(空白改性區)。然后將織物放入活化膠體溶液中，親水區域吸附活化粒子形成催化活性點，并在下一步化學鍍反應中生長出與蠟圖案互補的金屬薄膜圖案。本發明利用打蠟技術在織物表面預制電路圖形，最后再形成互補的金屬電路圖形。由于蠟是直接以固體的形式從商用蠟紙轉移到織物表面，不會在織物上產生“芯吸”現象，因此預制的電路圖線路的精度可有效控制。同時本發明采用化學鍍銅的方法來完成電路圖形制作，無需燒結步驟，因而適用于各類紡織品基材。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是為解決現有技術的不足而提供一種減少工序，降低成本，提高效率的柔性織物表面導電線路的構建方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明所提出的柔性織物表面導電線路的構建方法，包括如下步驟:
(1)清潔織物:將織物洗凈、烘干；
(2)硅烷偶聯劑自組裝改性:將清洗過的織物浸泡于硅烷偶聯劑溶液中5?10分鐘，取出，于100?120 °C烘干，浸泡與烘干循環3~5次；
(3)在步驟(2)處理過的織物上利用針式打印機打上蠟圖案；
(4)納米溶膠活化:將步驟(3)處理過的織物置于納米溶膠溶液中3~5小時，取出、洗凈；
(5)化學鍍銅:將步驟(4)處理過的織物浸泡在銅化學鍍液中，于30?60°C化學鍍I?3小時，取出洗凈；
(6)除蠟:將化學鍍銅后的織物置于有機除蠟溶劑中，待織物上的蠟完全溶于有機除蠟溶劑后，取出烘干，制得柔性織物導電圖形。
[0007]本發明中，所述織物優先選用成分為纖維素的織物，具體為:棉、亞麻、銅氨纖維或天絲中任一種。可以是天然纖維素纖維(棉、亞麻等)或再生纖維素纖維(銅氨纖維、天絲、莫代爾等);這類柔性織物為高羥基含量織物，因而織物本身親水性好，且織物來源廣泛，成本低廉。
[0008]本發明中，所述的硅烷偶聯劑溶液的溶質為3-氨基丙基三甲氧基硅烷，溶劑為丙酮，硅烷偶聯劑溶液的質量百分濃度為0.1%?1%。
[0009]本發明中，所述的針式打印機為普通發票打印用的辦公室打印機，耗材為商用蠟紙，打印流程為:將待打印織物置于蠟紙底部并共同放置在打印機的進紙口，聯接打印機后，設計好的布線圖通過計算機控制的打印系統，將蠟紙上的蠟以固態形式直接轉移到織物上，形成與布線圖相對應的蠟圖案。
[0010]本發明中，步驟(4)中所述的金納米溶膠溶液的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質濃度分別為:氯金酸的濃度為I?2 g/L ;檸檬酸三鈉的濃度為5?10 g/L;氯化鈉的濃度為1?20 g/L;硼氫化鈉的濃度為2?4 g/L ο
[0011]本發明中，步驟(5)中所述的銅化學鍍液的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質分別為:硫酸銅濃度5?10 g/L，酒石酸鉀鈉濃度20?30 g/L，氫氧化鈉濃度5?10 g/L，碳酸鈉濃度I?2 g/L，甲醛濃度5?10 g/L ο
[0012]本發明中，步驟(6)中所述的有機除蠟溶劑為質量分數399.7%的無水乙醇。
[0013]本發明提出的柔性織物表面導電線路的構建方法具有以下優點:(I)所選用織物成份為纖維素，來源廣泛，屬可再生資源，綠色環保；(2)利用化學改性將織物表面氨基化，一方面可以提升織物的親水性；另一方面與催化粒子之間發生自組裝反應，極大了增強了催化粒子的吸附性和均一性，從而提升最后得到的導電線路與織物之間的粘附度，增加所得柔性電路的可靠性;(3)蠟紙上的蠟是以固體形式轉移到織物表面，因此形成的蠟圖案精度高，對應得到的導電線路精度可控。本發明提出的柔性織物表面導電線路的構建方法，將針式打蠟技術與化學鍍技術結合，開創了一種全新的制備柔性電路的方法。本發明制備的柔性電路可用于醫療、健康領域等高新技術產品，市場前景廣闊。
[0014]本發明的有益效果在于:(I)所選用的織物成份為纖維素，原料來源豐富，降低工藝成本；(2)硅烷偶聯劑可充當紡織基體與金屬電路層之間的分子橋梁，提高產品的可靠性；(3)得到的銅導電線路連續、致密、電導率高，精度可控；(4)工藝過程維護簡便，對儀器設備的依賴度低可進行連續化生產，能滿足市場需求。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明所提出的柔性織物表面構建導電線路的方法流程圖；
圖2為本發明實施例1中鍍銅后的樣品實物圖；
圖3為本發明實施例1中鍍銅后的樣品掃描電鏡圖；
圖4、圖5為本發明實施例2中鍍銅后的樣品光學顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0016]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0017]實施例1
Sll:選用銅氨纖維織物(45 X45 count/cm2, 8 mg/cm2)為基材，精確地裁剪成60 mmX 60 _，然后分別用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干。
[0018]S12:將清洗過的織物置于濃度為0.1%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，浸泡5分
鐘，取出，然后在100 °C烘干，浸泡與烘干循環3次。
[0019]SI 3:將蠟紙放在承印織物頂部，共同放置在映美FP-630K針式打印機的進紙機構中。聯接打印機后，通過電腦將設計好的布線圖文件輸出給打印機打印。
[0020]S14:配制金納米溶膠溶液:將Ig氯金酸，5g檸檬酸三鈉，1g氯化鈉，2g硼氫化鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL。將印有蠟圖案的織物置于金納米溶膠溶液中，放置3小時，取出，洗凈，得表面選擇性活化的織物。
[°021 ] SI5:配制銅化學鍍液:將5g硫酸酮，20g酒石酸鉀鈉，5g氫氧化鈉，Ig碳酸鈉，5g甲醛溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL，得化學鍍銅溶液。
[0022]將將經步驟S14活化后的織物浸沒在所述銅化學鍍液中，升溫至60°C，化學鍍銅I小時。
[0023]S16:將化學鍍銅后的織物置于無水乙醇中，待織物上的蠟完全溶于乙醇后，取出烘干，
即得所設計的柔性電路，如實物圖2所示。掃描電子顯微鏡檢查，所得銅鍍層均勻平整，如圖3所示。
[0024]四探針法測得銅導電線路的電阻率為7.42μΩ.cm。銅線路與織物基體的附著力按國標GB/T9286-1998的規定評定為I級。
[0025]實施例2
S21:選用莫代爾織物(18X45 count/cm2, 17.5 mg/cm2)為基材，精確地裁剪成60 mmX 60 _，然后分別用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干。
[0026]S22:將清洗過的織物置于濃度為0.5%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，浸泡 8分
鐘，取出，然后在120 °C烘干，浸泡與烘干循環3次。
[0027]S23:將蠟紙放在承印織物頂部，共同放置在映美FP-630K針式打印機的進紙口。聯接打印機后，通過電腦將設計好的布線圖文件輸出給打印機打印。
[0028]S24:配制金納米溶膠溶液:將2g氯金酸，1g檸檬酸三鈉，20g氯化鈉，4g硼氫化鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L。將印有蠟圖案的織物置于金納米溶膠溶液中，放置3.5小時，取出，洗凈，得表面選擇性活化的織物。
[0029]S25:配制銅化學鍍液:將1g硫酸酮，30g酒石酸鉀鈉，1g氫氧化鈉，2g碳酸鈉，1g甲醛溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL，得化學鍍銅溶液。
[0030]將將經步驟S24活化后的織物浸沒在所述銅化學鍍液中，升溫至40°C，化學鍍銅1.5小時。
[0031]S26:將化學鍍銅后的織物置于無水乙醇中，待織物上的蠟完全溶于乙醇后，取出烘干，
即得所設計的柔性電路。銅線的表面形貌和邊界用光學顯微鏡觀察，如圖3、圖4所示；四探針法測得銅導電線路的電阻率為6.43 μΩ.cm。銅線路與織物基體的附著力按國標GB/T9286-1998的規定評定為I級。
[0032]實施例3
S31:選用棉織物(108X58 count/cm2, 28 mg/cm2)為基材，精確地裁剪成60 mm x 60mm，然后分別用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干。
[0033]S32:將清洗過的織物置于濃度為0.7%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，浸泡7分
鐘，取出，然后在120 °C烘干，浸泡與烘干循環4次。
[0034]S33:將蠟紙放在承印織物頂部，共同放置在映美FP-630K針式打印機的進紙口。聯接打印機后，通過電腦將設計好的布線圖文件輸出給打印機打印。
[0035]S34:配制金納米溶膠溶液:將1.5g氯金酸，Sg檸檬酸三鈉，15g氯化鈉，3g硼氫化鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L。將印有蠟圖案的織物置于金納米溶膠溶液中，放置3.5小時，取出，洗凈，得表面選擇性活化的織物。
[0036]S35:配制銅化學鍍液:將Sg硫酸酮，25g酒石酸鉀鈉，7g氫氧化鈉，2g碳酸鈉，7g甲醛溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL，得化學鍍銅溶液。
[0037]將將經步驟S34活化后的織物浸沒在所述銅化學鍍液中，升溫至45°C，化學鍍銅2小時。
[0038]S36:將化學鍍銅后的織物置于無水乙醇中，待織物上的蠟完全溶于乙醇后，取出烘干，
即得所設計的柔性電路。
[0039]四探針法測得銅導電線路的電阻率為6.33μΩ.cm。銅線路與織物基體的附著力按國標GB/T9286-1998的規定評定為I級。
[0040]實施例4
S41:選用亞麻織物(20 X 25 count/cm2, 18 mg/cm2)為基材，精確地裁剪成60 mm x60 mm，然后分別用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干。
[0041] S42:將清洗過的織物置于濃度為0.3%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，浸泡5分
鐘，取出，然后在115 °C烘干，浸泡與烘干循環5次。
[0042 ] S43:將蠟紙放在承印織物頂部，共同放置在映美FP-630K針式打印機的進紙口。聯接打印機后，通過電腦將設計好的布線圖文件輸出給打印機打印。
[0043]S44:配制金納米溶膠溶液:將1.8g氯金酸，6g梓檬酸三鈉，14g氯化鈉，2.5g硼氫化鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為1L。將印有蠟圖案的織物置于金納米溶膠溶液中，放置4小時，取出，洗凈，得表面選擇性活化的織物。
[0044]S45:配制銅化學鍍液:將6g硫酸酮，22g酒石酸鉀鈉，7g氫氧化鈉，Ig碳酸鈉，6g甲醛溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL，得化學鍍銅溶液。
[0045]將將經步驟S44活化后的織物浸沒在所述銅化學鍍液中，升溫至30°C，化學鍍銅3小時。
[0046]S46:將化學鍍銅后的織物置于無水乙醇中，待織物上的蠟完全溶于乙醇后，取出烘干，
即得所設計的柔性電路。
[0047]四探針法測得銅導電線路的電阻率為7.12μΩ.cm。銅線路與織物基體的附著力按國標GB/T9286-1998的規定評定為I級。
[0048]實施例5
S51:選用天絲織物(60TS/40C 30*30/128*78 count/cm2, 165 mg/cm2)為基材，精確地裁剪成60 mm X 60 mm，然后分別用去離子水、乙醇淋洗干凈，烘干。
[0049]S52:將清洗過的織物置于濃度為0.8%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液，浸泡5分
鐘，取出，然后在110 °C烘干，浸泡與烘干循環5次。
[0050]S53:將蠟紙放在承印織物頂部，共同放置在映美FP-630K針式打印機的進紙口。聯接打印機后，通過電腦將設計好的布線圖文件輸出給打印機打印。
[0051]S54:配制金納米溶膠溶液:將2g氯金酸，5g檸檬酸三鈉，1g氯化鈉，3g硼氫化鈉溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL。將印有蠟圖案的織物置于金納米溶膠溶液中，放置5小時，取出，洗凈，得表面選擇性活化的織物。
[0052]S55:配制銅化學鍍液:將9g硫酸酮，28g酒石酸鉀鈉，6g氫氧化鈉，2g碳酸鈉，5g甲醛溶于500mL去離子水中，溶解完畢，添加去離子水，至溶液體積為IL，得化學鍍銅溶液。
[0053]將將經步驟S54活化后的織物浸沒在所述銅化學鍍液中，升溫至50°C，化學鍍銅2小時。
[0054]S56:將化學鍍銅后的織物置于無水乙醇中，待織物上的蠟完全溶于乙醇后，取出烘干，
即得所設計的柔性電路。
[0055]四探針法測得銅導電線路的電阻率為6.58μΩ.cm。銅線路與織物基體的附著力按國標GB/T9286-1998的規定評定為I級。
【主權項】
1.一種柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于具體步驟如下: (1)清潔織物:將織物洗凈、烘干； (2)硅烷偶聯劑自組裝改性:將清洗過的織物浸泡于硅烷偶聯劑溶液中5?10分鐘，取出，于100?120 °C烘干，浸泡與烘干循環3~5次； (3)在步驟(2)處理過的織物上利用針式打印機打上蠟圖案； (4)納米溶膠活化:將步驟(3)處理過的織物置于納米溶膠溶液中3~5小時，取出、洗凈； (5 )化學鍍銅:將步驟(4)處理過的織物浸泡在銅化學鍍液中，于30?60 °C化學鍍I?3小時，取出洗凈； (6)除蠟:將化學鍍銅后的織物置于有機除蠟溶劑中，待織物上的蠟完全溶于有機除蠟溶劑后，取出烘干，制得柔性織物導電圖形。2.根據權利要求1所述的柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于所述織物優先選用成分為纖維素的織物，具體為:棉、亞麻、銅氨纖維或天絲中任一種。3.根據權利要求1所述的柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于所述的硅烷偶聯劑溶液的溶質為3-氨基丙基三甲氧基硅烷，溶劑為丙酮，硅烷偶聯劑溶液的質量百分濃度為0.1%?1%。4.根據權利要求1所述的柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于所述的針式打印機為普通發票打印用的辦公室打印機，耗材為商用蠟紙，打印流程為:將待打印織物置于蠟紙底部并共同放置在打印機的進紙口，聯接打印機后，設計好的布線圖通過計算機控制的打印系統，將蠟紙上的蠟以固態形式直接轉移到織物上，形成與布線圖相對應的蠟圖案。5.根據權利要求1所述的柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于步驟(4)中所述的金納米溶膠溶液的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質濃度分別為:氯金酸的濃度為I?2 g/L ;檸檬酸三鈉的濃度為5?10 g/L;氯化鈉的濃度為10?20 g/L;硼氫化鈉的濃度為2?4 g/L ο6.根據權利要求1所述的柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于步驟(5)中所述的銅化學鍍液的配方是溶劑為去離子水，溶液中各種溶質分別為:硫酸銅濃度5?10 g/L,酒石酸鉀鈉濃度20?30 g/L，氫氧化鈉濃度5?10 g/L，碳酸鈉濃度I?2 g/L，甲醛濃度5?10g/L。7.根據權利要求1所述的柔性織物表面導電線路的構建方法，其特征在于步驟(6)中所述的有機除蠟溶劑為質量分數3 99.7%的無水乙醇。
【文檔編號】D06M23/00GK106049035SQ201610395387
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年9月6日
【發明人】趙航, 呂銀祥
【申請人】復旦大學