CN112772002A - 导电材料以及通过用金属络合物导电油墨组合物进行金属化制备该导电材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了导电材料，包括导电纺织品材料，例如编织纺织品或针织纺织品、单根纤维以及编织纤维和纱。导电材料包括诸如纺织品或其他合适的材料等的基底材料、以及嵌入基底材料中的金属，特别是其中金属嵌入材料的表面之中和表面之下。本公开还提供了导电材料的制造方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月3日提交的美国临时申请No.62/714,641的权益，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及新型导电材料及其制备方法，该制备方法通过用金属络合物导电油墨组合物对诸如纺织品基底材料之类的基底材料进行金属化。
背景技术
长期以来，人们一直在寻找具有合适的电学性质和机械性质的导电纺织品、织物和其他类型的材料。特别地，导电纺织品的应用是重要且众多的，包括在电子服装和皮肤贴片(即，可穿戴应用)、EMI/RF屏蔽、互连和导线中的用途。与这些材料相关的关键指标是性能、美观性、安全性和成本。关于性能，导电纺织品或织物优选具有高电导率，并且更重要的是，能够在动态拉伸和应变数千次循环时保持足够水平的电导率。导电材料的美观性也很重要。理想地，由这些材料制备的织物和纤维应该感觉尽可能类似于它们的未改性形式，而不是像金属片或金属线。安全性和无毒性同样重要，因为这些应用中的许多应用涉及面向消费者的可穿戴设备和医疗装置。最后，还与可制造性相关的低成本对于利用此类材料的大量消费电子应用至关重要。
已知的电子纺织品和织物传统上包括围绕纤维(其随后可被编织成纱)或层叠在织物顶部上的金属导电层。例如，参见图1，此类材料通常通过将纯金属膜沉积(例如，使用普通印刷技术，如喷墨、丝网印刷等)或溅射到纤维或织物上进行制备。由于通过这些技术施加的金属不能渗透经处理的材料的表面，因此材料的导电部分固有地与下面的纤维或织物基底分离。
具有溅射的金属化层的纺织品的关键商业问题是方法昂贵且生产量低。此外，所得的金属层很脆弱，从而有碍于在保持材料的拉伸/应变能力的同时与材料的固有导电性的结合。
另一方面，虽然相对更具成本效益，但是具有沉积的金属颗粒/聚合物膜顶层的纺织品和织物的关键商业问题是导电性差，部分原因是织物/纺织品基底由于其温度敏感性而需要的低固化温度。
在这两种情况下，导电纺织品的组成和结构都受限于用标准的基于颗粒的金属油墨等进行金属化的顶层。这限制了材料的机械性质和可拉伸性质。换句话说，市场上的主要仅在表面上涂覆有金属的导电织物或纤维会在机械应变、挠曲或拉伸过程中引起剥离或断裂，从而导致电阻的大幅提高。这使得目前的导电织物和纤维不适合商业目的。
据报道，含金属的织物、特别是含银的织物具有抗微生物性质。例如，参见美国专利申请公开No.2005/0037057A1。这些织物中的银以离子形式局部地施加到织物中，以便通过重复的洗涤循环提供银离子从织物中的受控释放。然而，经银处理的织物是非导电的。
发明内容
本文提供了诸如导电纺织品材料之类的导电材料以及通过用金属络合物导电油墨组合物进行金属化制备该导电材料的方法。
在一个方面中，本公开提供了导电材料，该导电材料包括基底材料以及嵌入基底材料中的金属，其中金属嵌入材料的表面之中和表面之下。
更具体而言，在本公开的一些导电材料中，基底材料为纺织品基底材料，例如织物、纤维、纱或线。甚至更具体而言，织物、纤维、纱或线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
在一些实施方案中，基底材料为可热降解的基底材料，例如其中基底材料在高于约300℃的温度时可降解。
在导电材料的一些实施方案中，金属包含银、铜、金、钯、铂或这些金属中的任意金属的合金或组合，更具体而言，其中金属包含银、铜、金、钯或铂的合金或组合，或其中金属包含银。
在另一方面中，还提供了导电材料，其中该材料通过用金属络合物导电油墨组合物处理诸如纺织品基底材料之类的基底材料进行制备。
在具体实施方案中，基底材料为纺织品基底材料，例如织物、纤维、纱或线，并且更具体而言，其中织物、纤维、纱或线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。在其他具体实施方案中，基底材料为可热降解的材料，例如在高于约300℃的温度时可降解的基底材料。
在一些实施方案中，金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。更具体而言，金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂的组合，或者金属络合物导电油墨组合物包含银。
在一些实施方案中，在300℃或更低的温度进行处理。在一些实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物通过染色来处理基底材料，并且在其他实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物通过印刷来处理基底材料。
在上述实施方案的任一者中，导电材料在被拉伸至少约10％之后，可显示出约1,000欧姆或更小的电阻。更具体而言，该材料在被拉伸至少约10％至少约100个循环之后，可显示出约1,000欧姆或更小的电阻。
在又一方面中，本公开提供了制备导电材料的方法，该方法包括提供诸如纺织品基底材料之类的基底材料，用金属络合物导电油墨组合物处理基底材料，以及将经处理的基底材料固化以产生嵌入基底材料中的金属。
在具体实施方案中，基底材料为纺织品基底材料，例如织物、纤维、纱或线，并且更具体而言，其中织物、纤维、纱或线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
在这些实施方案中的一些之中，基底材料为可热降解的材料，例如在高于约300℃的温度时可降解的基底材料。
在一些方法实施方案中，金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。更具体而言，金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂的组合，或者金属络合物导电油墨组合物包含银。
在一些方法实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物通过染色或印刷来处理基底材料。在一些实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物处理基底材料至少两次。
在一些方法实施方案中，固化步骤在不超过约300℃时进行，并且在一些方法实施方案中，固化步骤进行不超过约120分钟。
附图说明
图1.使用已知方法制备的常规电子纺织品或电子织物的示意图。
图2.电子纺织品和电子织物的新方法的示意图，其中金属以不同程度(深度)被吸收到表面之中和/或表面之下的纺织品内。
图3.通过丝网印刷或染色制备的织物的微观图像。
图4A.对于根据本公开制备的印刷型导电织物，电阻相对于拉伸循环的关系。
图4B.用于测定电阻相对于拉伸的关系的仪器的照片。
图4C.用于测定电阻相对于拉伸的关系的电子元件的电路图。
图5A.导电丝网印刷型聚酯织物的摄影图像。
图5B.导电丝网印刷型聚酯织物的微观图像。
图6.根据本公开制备的导电聚醚-聚脲共聚物(即，莱卡)的说明。
图7.根据本公开的方法染色的导电聚芳酰胺纤维和纱的比较。
图8.通过不同印刷方法制备的其他导电材料的摄影图像。
图9.通过织物的染色制备的其他导电材料的摄影图像。
图10.通过纤维染色制备的其他导电材料的摄影图像。
具体实施方式
导电材料
本文提供了包括嵌入的金属的导电材料，包括纺织品和其他材料。在这些导电材料中，金属通常以非常薄的层存在于材料表面、以及吸纳于材料表面之下(参见图2)。因此，本公开提供了具有期望的电学性质和机械性质的固有导电材料，例如纺织品、纤维和其他材料。
通常通过用金属络合物导电油墨对基底材料、特别是纺织品基底材料和能够吸收所施加的液体的其他材料进行金属化来制备导电材料。油墨组合物(其优选为无颗粒油墨组合物)被基底材料吸收，以便油墨渗透材料的表面。一旦已经用油墨适当地浸透基底材料，就开始“固化”或“干燥”工序，这使得纯金属被吸收/嵌入基底材料之中和之上。
先前已将导电金属油墨用于制备表面涂覆型柔性导电材料。例如，由于此类油墨可以在环境条件下进行处理，因而在过去的几十年中，已将此类油墨开发为真空金属沉积(例如，原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、溅射等)或电镀的成本有效的替代物。在印刷型电子产品和半导体产品领域中，已在许多应用中将此类油墨用于对各种基底进行金属化，各种基底包括刚性基底如玻璃和硅、柔性基底如塑料和弹性体、以及最近的织物或纺织品基底。油墨在这些应用中的效用的关键指标包括电导率、可靠性和成本。文献中已知的大多数导电油墨是基于通过诸如聚合物或表面活性剂之类的有机载体来分散金属颗粒。例如，常见的导电油墨颗粒以纳米颗粒、薄片或小片以及纳米线的形式提供。
通过比较，用于制备本发明的导电材料的导电油墨组合物优选为无颗粒金属络合物油墨组合物。例如，电子墨水有限公司(Electroninks，Inc.)(得克萨斯州奥斯丁)已经开发了此类油墨。对于制备具有嵌入的导电组合物和结构的纺织品和其他材料的目的，无颗粒金属络合物油墨组合物显示出非常有益的性质。重要的是，无颗粒油墨组合物能够浸透合适的基底材料(理想地为能够吸收油墨的材料，例如纺织品基底材料)，然后在低温时将油墨固化以产生导电金属，从而产生导电材料。
在一些实施方案中，将银络合物油墨组合物用于制备本发明的导电材料，但是其他可能的金属络合物油墨组合物同样可用于这些制备。例如，包含金、铜、钯、铂或这些金属的组合的无颗粒油墨组合物也是已知的。用于本公开的无颗粒金属络合物油墨的示例性配方描述于PCT国际公开No.WO2015/160938A1(“导电油墨组合物(Conductive InkCompositions)”)、PCT国际公开No.WO2018/118460A1(“铜基导电油墨组合物及其制造方法(Copper Based Conductive Ink Composition And Method Of Making The Same)”)、美国专利申请No.62/540，829(“含钯的导电油墨组合物及其制造方法(Conductive InkCompositions Comprising Palladium And Methods For Making The Same)”，提交于2017年8月3日)、PCT国际公开No.WO2019/028435A1(“含钯的导电油墨组合物及其制造方法(Conductive Ink Compositions Comprising Palladium And Methods For Making TheSame)”)、美国专利申请No.62/540，903(“含金的导电油墨组合物及其制造方法(Conductive Ink Compositions Comprising Gold And Methods For Making TheSame)”，提交于2017年8月3日)和PCT国际公开No.WO2019/028436A1(“含金的导电油墨组合物及其制造方法(Conductive Ink Compositions Comprising Gold And Methods ForMaking The Same)”)中，将这些专利文献的每一者的全部内容通过引用并入本文。
如本文所使用的，术语“导电油墨组合物”、“导电油墨”、“油墨组合物”、“油墨”或它们的变体可以互换使用。在一些实施方案中，用于制备本公开的导电材料的油墨组合物中的唯一导电材料为单一金属，例如银金属。在一些实施方案中，用于制备本发明的导电材料的导电油墨中包含多种导电材料；例如，钯可以在基于另一种金属如银的导电油墨中用作稳定添加剂。在一些实施方案中，钯用作主要导电材料，并且可以添加一种或以上另外的导电材料以获得期望的特性。
还应当理解，用于制备本文公开的导电材料的导电油墨组合物可包含另外的组分，例如非导电组分，以改善油墨的性质或使用该油墨制备的导电材料的性质。例如，导电油墨组合物可包含粘合剂或其他助粘剂以促进导电材料粘合和/或粘附至基底材料，例如粘合和/或粘附至特定表面、织物或纤维。可供选择地或此外，导电油墨组合物可包含一种或以上润湿剂、清洁剂或适合于改善经处理的材料的表面性质的其他表面试剂。
如本文详细描述的，本公开的导电材料包括基底材料，例如纺织品基底材料或其他合适的多孔材料或半多孔材料；以及嵌入基底材料中的金属。在这些材料中，金属嵌入材料表面之下。优选地，导电材料的基底材料是能够吸收金属络合物导电油墨组合物的材料。如本领域普通技术人员应当理解的，此类材料可以用无颗粒金属络合物油墨组合物进行处理，例如通过染色、印刷、浸泡或任何其他合适的方法进行处理，从而使油墨组合物渗入基底材料。在油墨固化时，如在上文列出的参考文献中详细描述的，经处理的基底材料因此变成了导电材料，其中金属、理想地为纯金属或金属的组合嵌入了材料的表面之下。
用于本发明的导电材料的合适的基底材料包括(例如)纺织品材料，如织物、纤维、纱或线。在一些实施方案中，织物、纤维、纱或线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物(例如“莱卡”或“斯潘德克斯”)、尼龙、丙烯酸、改性纤维素(例如“人造丝”)、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。如本领域普通技术人员应当理解的，其他纺织品基底材料也可用于本公开的本发明的导电材料。
在一些实施方案中，基底材料为合适的多孔、或至少半多孔的天然或合成材料，例如热塑性聚氨酯、聚乙酸乙烯酯、尼龙、聚酯或具有诸如氟化涂层之类的其他涂层的聚酯。这些材料可以(例如)以二维材料的形式提供，该二维材料适合于通过如本文所述的合适的导电油墨组合物进行印刷或其他合适的涂覆。例如，基底材料可以以二维片状材料的形式提供。
本文公开的导电材料的优点之一为该材料可以包括可热降解的材料，通过通常用于制备导电纺织品材料(例如，通过高温沉积纯金属所制备的材料)的方法通常会损坏可热降解的材料。因此，在一些实施方案中，基底材料为可热降解的基底。更具体而言，基底材料在高于约100℃、高于约150℃、高于约200℃、高于约250℃或高于约300℃的温度可以是可降解的。
应当理解，如本文所使用的术语“金属”可以包括单一金属以及多于一种金属的组合。优选地，导电材料的金属为金属的单质形式。理想地，金属为高纯金属，例如至少约90％纯的、至少约95％纯的、至少约98％纯的、至少约99％纯的、或甚至更纯的金属。上文列出的专利文献中描述的无颗粒金属络合物导电油墨理想地适合于产生导电形式的此类金属。
本公开的导电材料优选地显示出各种期望的电学性质和机械性质。具体而言，在一些实施方案中，该材料显示出低电阻。此外，即使当材料经受拉伸或应变(包括重复多次、甚至很多次的拉伸或应变)时，优选地保持了低电阻。
例如，在一些实施方案中，导电材料显示出约1,000欧姆或更小、约500欧姆或更小、约300欧姆或更小、约100欧姆或更小、约50欧姆或更小、约30欧姆或更小、约20欧姆或更小、约10欧姆或更小或甚至更低的电阻。特别地，一些导电材料显示出约1欧姆或更小的电阻。
在一些实施方案中，即使被大幅拉伸(包括拉伸范围为1％至1000％)之后，导电材料也显示出低电阻。在一些实施方案中，即使被拉伸高达约20％、高达约40％、高达约100％或甚至更高之后，导电材料也显示出低电阻。在一些实施方案中，即使被拉伸至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约50％或甚至更多之后，导电材料也显示出低电阻。
在具体实施方案中，在被拉伸至少约10％之后，导电材料显示出约1,000欧姆或更小、约100欧姆或更小、约50欧姆或更小、约20欧姆或更小、约10欧姆或更小、约5欧姆或更小、约2欧姆或更小、或甚至约1欧姆或更小的电阻。在一些实施方案中，在已经被拉伸高达约20％、高达约40％、高达约100％和甚至更高的导电材料中观察到这些低水平的电阻。
理想地，在被拉伸多个循环之后，导电材料显示出低电阻。例如，在被拉伸至少约100个循环、至少约200个循环、至少约500个循环、至少约1000个循环、至少约2000个循环、至少约5000个循环、至少约10000个循环或甚至更多循环之后，材料可以显示出低电阻。在一些实施方案中，在被拉伸至少约10％、至少约100个循环之后，导电材料显示出约1,000欧姆或更小、或约100欧姆或更小的电阻。
在一些实施方案中，嵌入本发明的导电材料的纺织品基底材料中的金属以可调整的深度嵌入材料表面之中和表面之下。例如，在一些实施方案中，金属可嵌入距离表面至少约0.1微米、至少约0.3微米、至少约0.5微米、至少约1微米、至少约2微米或甚至更深的深度处。
在一些实施方案中，可将可调整的深度表示为导电材料的截面的百分比。例如，若导电材料的截面为20微米，并且金属嵌入的深度为2微米，则本领域的普通技术人员应当理解，金属嵌入的深度为截面的约10％。因此，在一些实施方案中，金属可嵌入的深度为约0.1％、0.3％、0.5％、1％、3％、5％、10％或甚至更深。
还应当理解，在一些实施方案中，本文提供的导电材料具有抗微生物性质。不受理论的束缚，据信此类性质是由于在使用材料时，金属离子(例如银离子)的释放所产生的。本公开的导电材料在使用时同样将固有地释放金属，包括金属离子，因此这些导电材料也将显示出抗微生物性质。含抗微生物金属的材料和处理的商业实例是本领域已知且了解的，例如SilvadurTM、Silpure和
Micro Silver Crystal技术。
导电材料的制备方法
在另一方面中，本公开提供了制备本文所述的导电材料的方法。这些材料可通过本领域普通技术人员所理解的任何合适的方法进行制备。在一些实施方案中，用于制备此类材料的方法包括提供基底材料，例如纺织品基底材料；用金属络合物导电油墨组合物处理基底材料；以及将经处理的基底材料固化以产生嵌入基底材料的金属。优选地，这些方法的基底材料为能够吸收诸如上述油墨组合物之类的无颗粒金属络合物油墨组合物的材料。
在一些实施方案中，本方法的基底材料为可热降解的材料。更具体而言，基底材料在高于约100℃、高于约150℃、高于约200℃、高于约250℃、高于约300℃或高于甚至更高的温度时可降解。
本发明的制备方法中使用的合适的基底材料包括(例如)纺织品基底材料，例如织物、纤维、纱或线。在一些实施方案中，织物、纤维、纱或线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物(例如“莱卡”或“斯潘德克斯”)、尼龙、丙烯酸、改性纤维素(例如“人造丝”)、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。如本领域普通技术人员应当理解的，其他合适的基底材料、包括其他纺织品基底材料也可用于本公开的方法中。
用于本发明的方法的无颗粒导电油墨组合物可以是任何合适的无颗粒导电油墨组合物。适用于本发明的方法的示例性油墨组合物描述于PCT国际公开No.WO2015/160938A1、PCT国际公开No.WO2018/118460A1、PCT国际公开No.WO2019/028435A1、PCT国际公开No.WO2019/028436A1、美国专利申请No.62/540,829和美国专利申请No.62/540,903中。
在优选的方法实施方案中，无颗粒导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。更优选地，无颗粒导电油墨组合物包含银。在一些实施方案中，无颗粒导电油墨组合物包含金属的组合，包括银、铜、金、钯或铂的组合。
如实施例部分中详细描述的，本发明的方法中使用的基底材料可以用金属络合物导电油墨组合物通过各种方法进行处理。在一些实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物通过染色来处理基底材料。在其他实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物通过印刷来处理基底材料。在具体实施方案中，用金属络合物导电油墨组合物通过多次印刷(例如至少两次、至少五次、至少10次或甚至更多次印刷)来处理基底材料。如本领域普通技术人员应当理解的，通过多个印刷步骤处理基底材料可以提高嵌入材料中的金属的量，从而降低经处理的材料的电阻。
如上所述，本发明的方法可以有利地在相对较低的温度时进行，是因为这些方法中所用的金属络合物油墨组合物通过在相对较低的温度时固化而转化成单质金属。因此，在这些方法中使用低温使得在这些方法中甚至能够使用可热降解的基底材料。因此，在所公开的方法的一些实施方案中，固化步骤在不超过约300℃、不超过约250℃、不超过约200℃、不超过约150℃、不超过约100℃或不超过甚至更低的温度时进行。
如本领域技术人员应当理解的，也可以有利地改变固化步骤的时间以优化结果。特别地，固化步骤可进行不超过约120分钟、不超过约60分钟、不超过约30分钟、不超过约20分钟或甚至更短的时间。
在另一方面中，本公开提供了一种导电材料，其中通过本文所述的任何处理(包括上文和实施例中所述的那些方法)来制备该材料。
在另外一个方面中，如以下编号的段落中所述，提供了材料和方法：
1.一种导电材料，包括：
纺织品基底材料；以及
嵌入所述纺织品基底材料中的金属；
其中所述金属嵌入材料的表面之中和表面之下。
2.根据段落1所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料为织物、纤维、纱或线。
3.根据段落2所述的导电材料，其中所述织物、所述纤维、所述纱或所述线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
4.根据段落1所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料为可热降解的纺织品基底材料。
5.根据段落4所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料在高于约300℃的温度时可降解的。
6.根据段落1所述的导电材料，其中所述金属包含银、铜、金、钯、铂或这些金属中的任意金属的合金或组合。
7.根据段落6所述的导电材料，其中所述金属包含银、铜、金、钯或铂的合金或组合。
8.根据段落6所述的导电材料，其中所述金属包含银。
9.一种导电材料，其中所述材料通过用金属络合物导电油墨组合物处理纺织品基底材料来制备。
10.根据段落9所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料为织物、纤维、纱或线。
11.根据段落10所述的导电材料，其中所述织物、所述纤维、所述纱或所述线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
12.根据段落9所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料为可热降解的材料。
13.根据段落12所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料在高于约300℃的温度时可降解。
14.根据段落9所述的导电材料，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。
15.根据段落14所述的导电材料，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂的组合。
16.根据段落14所述的导电材料，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银。
17.根据段落9所述的导电材料，其中所述处理在300℃或更低的温度进行。
18.根据段落9所述的导电材料，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过染色来处理所述纺织品基底材料。
19.根据段落9所述的导电材料，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过印刷来处理所述纺织品基底材料。
20.根据段落1至19中任一项所述的导电材料，其中所述材料在被拉伸至少约10％之后，显示出约1,000欧姆或更小的电阻。
21.根据段落20所述的导电材料，其中所述材料在被拉伸至少约10％至少约100个循环之后，显示出约1,000欧姆或更小的电阻。
22.一种制备导电材料的方法，包括：
提供纺织品基底材料；
用金属络合物导电油墨组合物处理所述纺织品基底材料；以及
将经处理的基底材料固化以产生嵌入所述基底材料中的金属。
23.根据段落22所述的方法，其中所述纺织品基底材料为织物、纤维、纱或线。
24.根据段落23所述的方法，其中所述织物、所述纤维、所述纱或所述线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
25.根据段落22所述的方法，其中所述纺织品基底材料为可热降解的材料。
26.根据段落25所述的方法，其中所述纺织品基底材料在高于约300℃的温度时可降解。
27.根据段落22所述的方法，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。
28.根据段落27所述的方法，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂的组合。
29.根据段落27所述的方法，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银。
30.根据段落22所述的方法，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过染色来处理所述纺织品基底材料。
31.根据段落22所述的方法，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过印刷来处理所述纺织品基底材料。
32.根据段落22所述的方法，其中用所述金属络合物导电油墨组合物处理所述纺织品基底材料至少两次。
33.根据段落22所述的方法，其中所述固化步骤在不超过约300℃时进行。
34.根据段落22所述的方法，其中所述固化步骤进行不超过约120分钟。
对于相关领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明或其任何实施方案的范围的情况下，可以对本文所述的方法和应用进行其他合适的修改和调整。现在已经详细描述了本发明，通过参照以下实施例将更清楚地理解本发明，这些实施例仅为了说明的目的而包括在本文中，并且不旨在限制本发明。
实施例
实施例1.在织物上印刷
在典型的实例中，将具有合适流变性质的银络合物油墨丝网/模板印刷、分配、用书写器具如钢笔或记号笔书写、或喷墨印刷在织物上以形成导电通路。油墨的固体含量范围通常为约6％至50％。在印刷时，油墨渗入织物中，然后在低于150℃的温度、在环境气氛中固化少于30分钟(通常在140℃或100℃进行20分钟)。根据织物的孔隙率/吸收性，可能需要在同一区域(例如，对应于所需的导电通路的区域)上进行多遍印刷。典型的织物可为编织的、非编织的、针织的或天然制品，如棉、丝、羊毛或亚麻。合成织物包含尼龙、聚酯、聚醚-聚脲共聚物(例如“莱卡”或“斯潘德克斯”)、丙烯酸、改性纤维素(例如人造丝)、乙酸酯、氨基甲酸酯等。所得的导电织物的电阻可以根据条件而改变，但通常在本体金属(例如本体银)的电阻的5％至70％的范围内。
图3中示出了根据上述方法制备的示例性导电印刷织物的微观图像(以两种放大倍率)。如该图像所示，在金属化处理之后，下方的纺织品基底的颗粒保真度和形态保持完整，从而表明金属已经嵌入导电织物中。这种形态不同于通过传统处理进行金属化的纺织品所期望的形态，在传统处理中，会期望金属迹线位于织物的顶部。
图4A示出了使用图4B所示的仪器和图4C所示的电路图通过如上所述的丝网印刷制备的导电织物的典型拉伸试验循环数据。在该实施例中，以20％拉伸率、以每分钟20次循环来拉伸织物。即使在100,000次循环之后，织物的电阻仍保持低于10欧姆。
下表1中示出了在聚酯织物上丝网印刷的导电迹线的另一个实例。该织物的物理和形态性质示于图5A至图5B中。在55℃至120℃固化20分钟的导电织物在拉伸之前和之后均显示出小于1欧姆的电阻(表1)。导电织物的宏观(图5A)和微观(图5B)图像突出了金属化后的正常织物形态。
表1：丝网印刷的样品
实施例2.在织物上染色
在典型的实例中，在容器中容纳有具有合适流变性质的银络合物油墨。在容器内的油墨中“浸泡”或“浸涂”一片织物。根据织物的类型，典型的涂覆时间约为1秒至60分钟。此外，织物的预溶胀有时可以促进金属络合物油墨更好地渗透到织物中。通常通过将织物暴露于合适的液体/溶剂、在一些情况下在高温(例如60℃至100℃)时、或这两者的组合来实现预溶胀。一旦被浸透或“被染色”，则将织物取出并在低于150℃的温度、在环境中固化少于30分钟(通常140℃或100℃进行20分钟)。油墨的固体含量范围通常为约6％至30％。典型的织物可为编织的或非编织的针织天然制品，如棉、丝、羊毛或亚麻。合成织物可为尼龙、聚酯、聚醚-聚脲共聚物(例如“莱卡”或“斯潘德克斯”)、丙烯酸、改性纤维素(例如人造丝)、醋酸酯、聚氨酯。电阻根据条件而变化，但通常在本体Ag的5％至70％的范围内。
根据上述方法制备的示例性导电染色织物示于图3、图5A、图5B和图6中。在下表2中进一步描述了图6中所示的织物。
表2：染色的织物样品
| 样品ID | 基底/纺织品 | 涂覆方法 | 电阻 | 大约尺寸 |
| 06062017_1 | 84％聚酯和16％弹性纤维的织物 | 染色 | 1.1Ω | 1.5cm x 12cm |
| 06062017_2 | 84％聚酯和16％弹性纤维的织物 | 染色 | 0.9Ω | 1.5cm x 12cm |
| 06062017_3 | 84％聚酯和16％弹性纤维的织物 | 染色 | 0.7Ω | 1.5cm x 12cm |
实施例3.在纤维或纱上染色
在典型的实例中，在容器中容纳有具有合适流变性质的银络合物油墨。在容器内的油墨中“浸泡”或“浸涂”一根纤维或纱、或缠绕在一起的多根纤维/纱。根据纤维或纱的类型，典型的涂覆时间约为1秒至60分钟。此外，有时允许发生纤维或纱的预溶胀以使金属络合物油墨更好地渗透到纤维或纱中。通常通过将纤维或纱暴露于合适的液体/溶剂、在一些情况下在高温(例如60℃至100℃)时、或这两者的组合来实现预溶胀。一旦被浸透或“被染色”，则将纤维或纱取出并在低于150℃的温度、在环境中固化少于30分钟(通常140℃或100℃进行20分钟)。油墨的固体含量范围通常为约6％至30％。电阻根据条件而改变，但通常在本体Ag的5％至70％的范围内。
根据上述方法制备的示例性导电染色纤维示于图7中，并在下表3中进一步进行描述。
表3：染色的纤维样品
实施例4.通过不同印刷方法制备的导电材料
通过喷墨或丝网印刷方法制备的示例性导电材料描述于下表4中，并在图8所示的图像中示出。
表4：通过印刷制备的样品
实施例5.通过织物的染色制备的导电材料
通过织物的染色制备的其他导电材料描述于下表5中，并在图9所示的图像中示出。
表5：通过织物的染色制备的其他样品
实施例6.通过纤维的染色制备的导电材料
通过纤维的染色制备的其他导电材料描述于下表6中，并在图10所示的图像中示出。
表6：通过纤维染色制备的其他样品
| 样品ID | 纤维 | 油墨 | 固化温度 | 2pt电阻 |
| A3 | 聚酯纱 | A892 | 120℃ | 27.5Ω |
| B3 | 聚酯单纤维 | EI-002 | 100℃ | 1.6Ω |
| C3 | 丝 | EI-014 | 140℃ | 100Ω |
| D3 | 芳族聚酰胺纤维 | EI-009 | 150℃ | 5Ω |
在所有上述实施例中，金属络合物油墨组合物可另外含有粘合剂或助粘剂以促进对促进粘附至特定织物或纤维。
在所有上述实施例中，除了导电材料的有利的电学性质和机械(即，可拉伸)性质之外，已经用纯银膜改性的导电材料(例如通过用银络合物油墨组合物进行处理)也是固有抗微生物的。
在所有上述实施例中，通常通过跨越10cm的两点的电阻测定结果来测定电阻。
本文提及的所有专利、专利出版物和其他已出版的参考文献通过引用整体并入本文，如同每个都通过引用单独且明确地并入本文。
虽然已经提供了具体的实例，但是上述描述是说明性的而非限制性的。前述实施方案的任一个或多个特征可以以任何方式与本发明中的任何其他实施方案的一个或多个特征进行组合。此外，在阅读说明书之后，本发明的许多变化对于本领域技术人员将变得明显。因此，应当参考所附权利要求及其等同形式的全部范围来确定本发明的范围。
Claims (37)
1.一种导电材料，包括：
基底材料；以及
嵌入所述基底材料中的金属；
其中所述金属嵌入材料的表面之中和表面之下。
2.根据权利要求1所述的导电材料，其中所述基底材料为纺织品基底材料。
3.根据权利要求2所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料为织物、纤维、纱或线。
4.根据权利要求3所述的导电材料，其中所述织物、所述纤维、所述纱或所述线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
5.根据权利要求1所述的导电材料，其中所述基底材料为可热降解的纺织品基底材料。
6.根据权利要求5所述的导电材料，其中所述基底材料在高于约300℃的温度时可降解。
7.根据权利要求1所述的导电材料，其中所述金属包含银、铜、金、钯、铂或这些金属中的任意金属的合金或组合。
8.根据权利要求7所述的导电材料，其中所述金属包含银、铜、金、钯或铂的合金或组合。
9.根据权利要求7所述的导电材料，其中所述金属包含银。
10.一种导电材料，其中通过用金属络合物导电油墨组合物处理基底材料来制备所述材料。
11.根据权利要求10所述的导电材料，其中所述基底材料为纺织品基底材料。
12.根据权利要求11所述的导电材料，其中所述纺织品基底材料为织物、纤维、纱或线。
13.根据权利要求12所述的导电材料，其中所述织物、所述纤维、所述纱或所述线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
14.根据权利要求10所述的导电材料，其中所述基底材料为可热降解的材料。
15.根据权利要求14所述的导电材料，其中所述基底材料在高于约300℃的温度时可降解。
16.根据权利要求10所述的导电材料，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。
17.根据权利要求16所述的导电材料，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂的组合。
18.根据权利要求16所述的导电材料，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银。
19.根据权利要求10所述的导电材料，其中所述处理在300℃或更低的温度进行。
20.根据权利要求10所述的导电材料，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过染色来处理所述基底材料。
21.根据权利要求10所述的导电材料，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过印刷来处理所述基底材料。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的导电材料，其中所述材料在被拉伸至少约10％之后，显示出约1,000欧姆或更小的电阻。
23.根据权利要求22所述的导电材料，其中所述材料在被拉伸至少约10％至少约100个循环之后，显示出约1,000欧姆或更小的电阻。
24.一种制备导电材料的方法，包括：
提供基底材料；
用金属络合物导电油墨组合物处理所述基底材料；以及
将经处理的基底材料固化以产生嵌入所述基底材料中的金属。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述基底材料为纺织品基底材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述纺织品基底材料为织物、纤维、纱或线。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述织物、所述纤维、所述纱或所述线包含聚酯、聚醚-聚脲共聚物、尼龙、丙烯酸、改性纤维素、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氨酯、棉、羊毛、亚麻或丝材料。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述基底材料为可热降解的材料。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述基底材料在高于约300℃的温度时可降解。
30.根据权利要求24所述的方法，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银、铜、金、钯或铂的组合。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述金属络合物导电油墨组合物包含银。
33.根据权利要求24所述的方法，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过染色来处理所述基底材料。
34.根据权利要求24所述的方法，其中用所述金属络合物导电油墨组合物通过印刷来处理所述基底材料。
35.根据权利要求24所述的方法，其中用所述金属络合物导电油墨组合物处理所述基底材料至少两次。
36.根据权利要求24所述的方法，其中所述固化步骤在不超过约300℃时进行。
37.根据权利要求24所述的方法，其中所述固化步骤进行不超过约120分钟。
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