基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：S1：称取锡铟铋基合金，分别用乙醇和去离子水清洗，将清洗后的合金放于玻璃试剂瓶中，向试剂瓶中加入十二烷基硫酸钠和去离子水，配置锡铟铋基合金溶液；S2：对步骤S1中的溶液进行超声，制备锡铟铋基合金墨水；S3：用去离子水稀释步骤S2中的锡铟铋基合金墨水；S4：取步骤S3中的墨水注入墨盒中，打印设计图案的锡铟铋基合金柔性电极；S5：压力烧结锡铟铋基合金电极，即可制备得到锡铟铋基合金柔性电极。本发明还公开了利用本发明的制备方法制备的电极。本发明的制备方法工艺更加简单，成本低，数字化程度高。

说明书

技术领域

本发明属于印刷电路领域，具体涉及一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极及其制备方法。

背景技术

由于便携式私人电子产品的飞速发展，柔性的电子器件已经引起了人们的巨大兴趣。在柔性电子器件制造，例如，折叠显示屏，分散式传感器，微结构超级电容器，太阳能电池等方便取得了很大成功。为了完全实现电子设备的柔性，所有的这些电子器件都需要柔性的、轻的、高电导率的电极。柔性电极制备通常采用磁控溅射，热蒸镀，电镀，传统的印刷技术等。这些技术通常需要昂贵的仪器，复杂的工艺，耗时等。而喷墨打印作为一种简单，非直接接触的沉积技术在柔性电极制备上具有明显优势。除此之外，喷墨打印还可以时时的控制打印的形状，位置，电导率，薄膜的厚度以及均匀性等。

喷墨打印的关键技术在于优良墨水的制备，常用的导电墨水有碳纳米管，石墨烯，导电聚合物，银纳米颗粒等。这些材料要么导电性和稳定性较差，要么价格比较昂贵，因此限制了其在柔性电子器件中的广泛应用。锡铟铋基合金因为廉价，电导率高，化学稳定性好因此可以用为优良的导电墨水。墨水中导电物的分散性和尺寸的大小至关重要，分散性不好，尺寸过大都会导致喷墨打印机喷头的堵塞。

如论文“Fabrication and characterization of inkjet-printed carbonnanotube electrode patterns on paper”(Kwon O S,Kim H,Ko H,et al.Carbon,2013,58:116-127.)”，公开了一种喷墨打印的碳纳米管柔性电极。但该文献公开的技术存在如下缺陷或不足：

(1)目前制备碳纳米管的成本很高，而且批量化生产还存在困难，制备碳纳米管墨水的工艺复杂，这样增加了柔性电极制备的成本和周期；

(2)碳纳米管的电导率远不及金属，因此用碳纳米管制备的柔性电极导电性比较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极及其制备方法，其目的在于通过制备合金墨水、喷墨打印合金柔性电极和压力烧结合金柔性电极，从而解决目前柔性电极成本高、制作工艺复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：称取锡铟铋基合金，分别用乙醇和去离子水清洗，将清洗后的合金放于玻璃试剂瓶中，向试剂瓶中加入十二烷基硫酸钠和去离子水，配置锡铟铋基合金溶液；

S2：对步骤S1中的溶液进行超声，制备锡铟铋基合金墨水；

S3：用去离子水稀释步骤S2中的锡铟铋基合金墨水；

S4：取步骤S3中的墨水注入墨盒中，打印设计图案的锡铟铋基合金柔性电极；

S5：压力烧结锡铟铋基合金电极，即可制备得到锡铟铋基合金柔性电极。

进一步地，步骤S1中所述十二烷基硫酸钠溶液的浓度为2～10mg/ml。

进一步地，步骤S2所述的超声采用细胞粉碎仪。

进一步地，步骤S2所述的超声功率设为360～720W。

进一步地，步骤S2所述的超声时间为2～20min，暂停20min，重复多次。

进一步地，步骤S3所述稀释后的锡铟铋基合金墨水的浓度为5～20mg/ml。

进一步地，步骤S3中所述锡铟铋基合金墨水的溶质颗粒平均直径为100～500nm。

进一步地，步骤S4所述用于打印的基底为纸或者其它亲水基底。

进一步地，步骤S5中采用压片机压力烧结锡铟铋基合金电极。

按照本发明的另一个方面，提供一种利用所述的制备方法制备的基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的技术方案中，比起传统的柔性电极制备工艺更加简单，成本低，数字化程度高。采用喷墨打印还可以打印任意图形的柔性电极，相比于光刻来说更加环保，此外喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极的电导率，薄膜的厚度，均匀性是可以时时控制的，在印刷电路领域中有着远大的优势。

(2)本发明的技术方案中，锡铟铋基合金颗粒的制备采用至上而下的方式，直接将合金块在十二烷基硫酸钠溶液中用细胞粉碎仪超声成100nm左右的合金颗粒，该方法工艺简单，成本低，效率高，可以大规模生产。超声后的颗粒在十二烷基硫酸钠溶液中分散性非常好，具备用于喷墨打印墨水的优良特性。

(3)锡铟铋基合金相比其它金属，例如银、金、铂等更加廉价，并且电导率和化学稳定性与其相当，因此在未来可以取代上述贵金属。

(4)采用压力烧结的方式烧结锡铟铋基合金，相比于热处理烧结来说更加的节能，环保，在印刷电路领域满足国家发展需求。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法流程图；

图2(a)为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法涉及的锡铟铋基合金颗粒SEM图；

图2(b)为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法涉及的锡铟铋基合金颗粒TEM图；

图2(c)为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法涉及的锡铟铋基合金颗粒SEM图；

图3(a)为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法涉及的未烧结锡铟铋基合金电极SEM图；

图3(b)为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法涉及的烧结后锡铟铋基合金电极SEM图；

图4为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法涉及的锡铟铋基合金电极电阻随弯曲度变化曲线。

图1中，相同的附图标记表示同一个元件，其中：1-样品瓶、2-十二烷基硫酸钠溶液、3-锡铟铋基合金、4-超声波细胞粉碎仪、5-打印机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

(1)配置锡铟铋基合金超声溶液；

(2)超声波细胞粉碎仪超声制备锡铟铋基合金墨水；

(3)去离子水稀释锡铟铋基合金墨水；

(4)商用喷墨打印机打印锡铟铋基合金柔性电极；

(5)压力烧结锡铟铋基合金电极。

实施例1

在本发明的优选实施例中，一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法包括以下步骤：

(1)配置锡铟铋基合金超声溶液

称取0.5g锡铟铋基合金(熔点47℃)，分别用乙醇和去离子水清洗，将清洗后的合金放于体积为25ml玻璃试剂瓶中，随后向试剂瓶中加入40mg十二烷基硫酸钠和20ml去离子水，使得十二烷基硫酸钠溶液的浓度为2mg/ml。

(2)超声波细胞粉碎仪超声制备锡铟铋基合金墨水。

采用型号为FS-1200N的细胞粉碎仪对步骤(1)中的超声溶液超声，超声的功率设为720W，超声时间为5min，暂停20min，重复6次。

(3)去离子水稀释锡铟铋基合金墨水。

为了喷墨打印机能够稳定工作，墨水不堵塞墨盒，用去离子水将步骤(2)中墨水浓度稀释至5mg/ml。

(4)商用喷墨打印机打印锡铟铋基合金柔性电极。

用注射器取8ml步骤(3)的墨水，注于墨盒中，HP Deskjet 1010打印机的参数设置为“照片纸，最佳质量”，打印的基底选用普通商用A4纸，采用HP Deskjet 1010打印机打印所设计图案的锡铟铋基合金柔性电极。

(5)压力烧结锡铟铋基合金电极。

采用压片机压力烧结锡铟铋基合金电极，这里压力的来源不仅仅局限于压片机。

实施例2

在本发明的优选实施例中，一种基于喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极制备方法包括以下步骤：

(1)配置锡铟铋基合金超声溶液。

称取0.5g锡铟铋基合金(熔点为47℃)，分别用乙醇和去离子水清洗，将清洗后的合金放于体积为25ml玻璃试剂瓶中，随后向试剂瓶中加入200mg十二烷基硫酸钠和20ml去离子水，使得十二烷基硫酸钠溶液的浓度为10mg/ml。

(2)超声波细胞粉碎仪超声制备锡铟铋基合金墨水。

采用型号为FS-1200N的细胞粉碎仪对步骤(1)中的超声溶液超声，超声的功率设为360W，超声时间为20min，暂停20min，重复6次。

(3)去离子水稀释锡铟铋基合金墨水。

为了喷墨打印机能够稳定工作，墨水不堵塞墨盒，用去离子水将步骤(2)中墨水浓度稀释至20mg/ml。

(4)商用喷墨打印机打印锡铟铋基合金柔性电极。

用注射器取8ml步骤(3)的墨水，注于墨盒中，HP Deskjet 1010打印机的参数设置为“照片纸，最佳质量”，打印的基底选用普通商用A4纸。采用HP Deskjet 1010打印机打印所设计图案的锡铟铋基合金柔性电极。

(5)压力烧结锡铟铋基合金电极。

采用压片机压力烧结锡铟铋基合金电极，这里压力的来源不仅仅局限于压片机。

利用所述的制备工艺详细步骤，采用超声波细胞粉碎仪制备出分散性好的锡铟铋基合金墨水，采用商用喷墨打印机打印电导率高、稳定性好的合金柔性电极。

如图2(a)和(b)所示，合金颗粒的SEM和TEM图片，在超声功率为720W时，合金颗粒的平均直径为100nm；如图2(c)合金颗粒的SEM图片，在超声功率为360W时，合金颗粒的平均直径为500nm。图3(a)和(b)为柔性电极压力烧结前和烧结后的SEM图，烧结后的合金由颗粒变成连续的薄膜。合金柔性电极电阻随着弯曲度变化很小(图4所示)，说明柔性电极稳定性好。

本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的十二烷基硫酸钠浓度，但本发明不限于上述实施例中给出的十二烷基硫酸钠浓度，十二烷基硫酸钠浓度为2～10mg/ml，可以取实施例中的2mg/ml、10mg/ml，还可以取3mg/ml、4mg/ml、5mg/ml、6mg/ml、7mg/ml、8mg/ml、9mg/ml等，具体十二烷基硫酸钠的浓度根据实际需要确定。

本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的超声功率，但本发明不限于上述实施例中给出的超声功率，超声功率为360～720W，可以取实施例中的360W、720W，还可以取420W、480W、540W、600W、660W等，具体的超声功率根据实际需要确定。

本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的超声时间，但本发明不限于上述实施例中给出的超声时间，超声时间为2-20min，暂停20min，重复多次，可以取实施例中的5min、20min，还可以取2min、8min、10min、12min、15min、18min等，具体的超声时间根据实际需要确定。

本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的锡铟铋基合金墨水的浓度，但本发明不限于上述实施例中给出的锡铟铋基合金墨水的浓度，锡铟铋基合金墨水的浓度为5-20mg/ml，可以取实施例中5mg/ml、20mg/ml，还可以取10mg/ml、15mg/ml等，具体的锡铟铋基合金墨水的浓度根据实际需要确定。

本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的锡铟铋基合金墨水的溶质颗粒平均直径，但本发明不限于上述实施例中给出的锡铟铋基合金墨水的溶质颗粒平均直径，锡铟铋基合金墨水的溶质颗粒平均直径为100-500nm,可以取实施例中给出的100nm、500nm，还可以取200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm等，具体的锡铟铋基合金墨水的溶质颗粒平均直径根据实际需要确定。

本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的打印基底，但本发明不限于上述实施例中给出的打印基底，用于打印的基底为普通商用A4纸或者其它亲水基底，可以取实施例中的普通商用A4纸，还可以取其他亲水基底，具体打印基底根据实际需要确定。

本发明的制备方法，比起传统的柔性电极制备工艺更加简单，成本低，数字化程度高。采用喷墨打印还可以打印任意图形的柔性电极，相比于光刻来说更加环保，此外喷墨打印的锡铟铋基合金柔性电极的电导率，薄膜的厚度，均匀性是可以时时控制的，在印刷电路领域中有着远大的优势，因此在印刷电路领域有着远大应用并且特别适用于工业上的生产，具有极高的商业化价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。