一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨及其制备方法和应用

本发明属于电子材料，具体涉及一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨及其制备方法和应用。

背景技术：

1、导电墨水具有加工工艺简单、制造成本低廉等优点，将导电墨水通过一定工艺沉积到弹性体基体上，形成导电路径或图案，以此制造的柔性印刷电子具有柔软、可变形、可拉伸等特性，在电子制造领域引起了广泛关注。目前所使用的传统导电墨水，其一般使用刚性导电材料作为导电组分，比如：碳材料纳米粒子，金属纳米粒子等。这些刚性纳米材料在单体上表现出良好的电学性能，但在沉积和印刷时，纳米粒子的包裹层阻碍了它们之间的直接接触，表现出电荷传输的接触电阻，在应用上可能存在一定的局限性。

2、鉴于上述问题，基于镓基合金的液态金属因其具有与刚性金属相当的高导电性以及室温下呈现液态的特殊可变形性，低蒸汽压，低细胞毒性，良好的生物相容性和环境友好性，被认为是一种有巨大潜力的柔性电子材料。然而，对于柔性印刷电子，纯液态金属具有较高的表面张力，会在氧气存在下自发形成氧化物薄层，很难直接在基底上进行图案化。

3、液态金属基导电油墨通常是由有机配体包裹的液态金属纳米粒子组成，但是这种核-壳结构的形式阻碍了粒子之间的自发连通。因此，液态金属导电油墨在沉积印刷到基底上后，一般需要通过外部烧结手段如机械烧结，激光烧结，超声烧结，冷冻相变等使纳米粒子的外层保护壳破裂并释放内部的流体液态金属粒子，最终形成连通的导电路径。这些额外的烧结工艺并非定量确定的，可能对图案或基底造成一定的损伤，最终影响电子器件的性能和标准化；并且这些烧结工艺步骤繁多，设备复杂，大大提升了液态金属印制电子器件的制作成本。

4、为此，开发一款印刷固化后初始导电不需要额外烧结工艺，具有高导电性、适用于各种柔性基板的导电油墨及其制备方法成为液态金属印刷电子领域急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨及其制备方法和应用，可有效解决液态金属难以直接在柔性基体表面图案化、现有液态金属导电油墨印刷固化后还需要额外操作激活其导电性的问题。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨，所述导电油墨包括液态金属和蒙脱土悬浮液；

4、其中，液态金属为低熔点的镓铟共晶合金，其中，镓质量分数为65%～75%，铟质量分数为20%～35%，锡质量分数0%～15%；液态金属占导电油墨的比例为10mg/ml～200mg/ml；优选地，镓质量分数为75%，铟质量分数为25%；优选地，液态金属的用量为30mg/ml～185mg/ml。

5、蒙脱土悬浮液的溶质蒙脱土占导电油墨的比例为5mg/ml～100mg/ml，溶剂包括无水乙醇和去离子水的混合溶液，其中，无水乙醇占导电油墨的质量分数为25%～75%。

6、进一步地，所述导电油墨中还包括用于调节ph的盐酸，所述盐酸占导电油墨的质量分数为0～1.5%，用于进一步破坏液态金属纳米粒子氧化物外壳。

7、进一步地，所述蒙脱土包括钠基蒙脱土、天然蒙拓土、钙基蒙脱土、k-10蒙脱土、ksf蒙脱土中的任意一种。优选地，所述蒙脱土为钠基蒙脱土。

8、一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨的制备方法，包括如下步骤：

9、第一步，将蒙脱土粉末加入到无水乙醇和去离子水混合的二元溶液中，搅拌混合，制得蒙脱土悬浮液；

10、第二步，向蒙脱土悬浮液中加入液态金属，超声混合，形成液态金属蒙脱土插层复合材料，从而制得所述液态金属导电油墨。

11、进一步地，所述蒙脱土悬浮液的制备过程中还包括向蒙脱土悬浮液中加入盐酸。

12、进一步地，所述超声的功率为100w～950w，所述超声的时间为5min～60min。

13、一种液态金属导电图案，所述导电图案使用所述导电油墨绘制。

14、进一步地，一种液态金属导电图案的制备方法，包括如下步骤：

15、第一步，制备液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨；

16、第二步，使用第一步制备的导电油墨在基底上绘制图案；

17、第三步，对第二步绘制的图案进行干燥。

18、进一步地，所述导电油墨在基底上绘制图案的方法包括涂布、喷涂、丝网印刷和打印中的任意一种。

19、一种导电油墨或液态金属导电图案应用于制备电子器件中。

20、本发明的有益效果如下：

21、本发明提供了一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨，其制备方法和应用。本发明利用蒙脱土发生片层剥离并与液态金属形成纳米插层复合物，制备了一款液态金属基自烧结导电油墨。油墨固化过程中，蒙脱土片层水平定向堆积排列与液态金属粒子形成多层夹心结构，随溶剂挥发，挤压液态金属发生变形并聚集成导电网络，实现自烧结效果。

22、本发明提供的导电油墨有着低成本、良好的流动性和可加工性，可以通过涂布、喷涂、丝网印刷等加工方式在各种柔性基底上图案化；且形成的涂层具有优异的高温抗性和长时间稳定性。

23、本发明还提供了上述导电油墨在柔性电子器件中的应用。

技术特征：

1.一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨，其特征在于：所述导电油墨包括液态金属和蒙脱土悬浮液；

2.根据权利要求1所述的一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨，其特征在于：所述导电油墨中还包括用于调节ph的盐酸，所述盐酸占导电油墨的质量分数为0～1.5%。

3.根据权利要求2所述的一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨，其特征在于：所述蒙脱土包括钠基蒙脱土、天然蒙拓土、钙基蒙脱土、k-10蒙脱土、ksf蒙脱土中的任意一种。

4.一种如权利要求1-3任意一项所述的液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨的制备方法，其特征在于：所述蒙脱土悬浮液的制备过程中还包括向蒙脱土悬浮液中加入盐酸。

6.根据权利要求4所述的一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨的制备方法，其特征在于：所述超声的功率为100w～950w，所述超声的时间为5min～60min。

7.一种液态金属导电图案，其特征在于：所述导电图案使用如权利要求3所述导电油墨绘制。

8.根据权利要求7所述的一种液态金属导电图案的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种液态金属导电图案的制备方法，其特征在于：所述导电油墨在基底上绘制图案的方法包括涂布、喷涂、丝网印刷和打印中的任意一种。

10.一种如权利要求3所述的导电油墨或如权利要求7所述的液态金属导电图案应用于制备电子器件中。

技术总结本发明的目的在于提供一种液态金属/蒙脱土自烧结导电油墨及其制备方法和应用，属于电子材料技术领域，所述导电油墨包括液态金属和蒙脱土悬浮液，本发明解决了现有液态金属表面张力过大、图案化困难、油墨固化后需要额外工艺激活其导电性等问题。本发明的导电油墨成本低廉、制作工艺简单，油墨有着低成本和良好的流动性，固化后初始导电，不需要额外的烧结工艺；油墨涂层具有优异的导电性能，良好的高温稳定性和长时间下保存的稳定性。本发明的导电油墨适用于各类基板，包括但不限于刚性陶瓷基板，柔性薄膜基板等，适用于多种加工工艺，具有良好的适用性。技术研发人员：马姣,宋智策受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12