用于3D折纸电路的绿色可聚合低共熔溶剂导电纸

hengqiang

最近低成本柔性电子器件的需求不断增长，促使大量研究者投身其中，旨在实现快速和稳定的绿色制造。由天然纤维素纤维组成的纸张拥有低成本、可持续、可回收和可生物降解等诸多优点，在柔性电子器件领域得以快速发展，已在柔性超级电容器、太阳能电池、电磁屏蔽、执行器和医疗等领域展开了初步的研究。由于原纸的电导率差（方阻为1011-1015Ω·cm2），所以研究人员通常采用在纤维素纤维上沉积无机半导体或有机填料来制作导电纸。但是，软的纤维素纤维和刚性导体之间存在杨氏模量不匹配的差异（4100倍），导致复合形成的导电纸在形变时易发生材料分层或局部破裂。为解决这一挑战，来自华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室的何明辉副研究员、田君飞教授和澳大利亚Monash大学化工系的苏彬博士通过引入低杨氏模量的离子液体聚合物凝胶，制作了性能稳定的离子凝胶导电纸（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 16466-16473）。但存在的两个问题阻碍了其在实际生产中的应用：一是加热过程产生的挥发性有机物（VOC），对环境存在一定的危害；二是由于离子凝胶的流动性导致导电纸的精细图案化困难。

可聚合低共熔溶剂（Polymerizable deep eutectic solvent, PDES）是一类新型的离子液体，其特殊之处在于其氢键供体或受体含有可聚合基团，且聚合后依然保留较强的导电性。除制备简单，100％原子利用率和低成本等优点外，PDES还可通过热或光引发实现聚合。该团队的研究工作表明（J. Mater. Chem. C 2017, 5, 8475-8481），在UV照射下几秒钟内便可完成PDES导电弹性体的制备，且可按需实现图案化。基于上述研究结果，该团队提出利用PDES替代离子凝胶，然后通过原位光聚合制作导电纸，进而解决上述问题。由于PDES自身具备反应介质、前驱体和导电填料三重功效，在紫外线照射下便可快速固化，为按需图案化的印刷电路制作提供了一条新的路径，可认为是一个快速，无VOC的绿色图案化制造过程。

Scheme 1绿色制造PDES导电纸。通过丝网印刷制备导电纸的示意图包括：（i）原纸输送；（ii）通过图案化的丝网将PDES墨水涂覆到原纸上；（iii）UV照射和（iv）导电纸制备完成

研究人员印制的各种清晰图案验证了PDES作为丝网印刷导电墨水的可行性（图1a-c）；通过扫描电镜和红外表征了PDES印刷前后的纸张纤维结构差异（图d-e）；涂敷到纸张上的PDES填充了纸张纤维之间的孔隙，使导电纸呈现出较高的透明度（图1f）。

纸张是一种可弯曲和可折叠的天然材料，适合于组装成复杂的3D结构，故研究人员还展示了以PDES图案化的导电纸构建纸基3D折纸电路。首先以PDES为墨水，通过图案化的丝网印刷版，涂敷到纸张上，经UV照射后快速聚合，形成相应的导电线路；然后裁剪纸张，结合折纸技术将导电线路组装为3D纸盒，分别制作了输入/输出电路位置或方向不同的3D电路。通过简单地组合Box A和B类型，可以实现复杂的折纸纸张电路，上述方案通过LED灯泡的点亮证实了纸张折纸电路的连通性。

相关成果发表在国际知名期刊Chemical Communications (2018, 54, 2304-2307)上，文章的共同第一作者是华南理工大学博士生李仁爱和硕士生张凯丽，通讯作者为华南理工大学的何明辉副研究员和澳大利亚Monash大学苏彬博士，华南理工大学吕发创教授和陈广学教授给出了很多建设性的指导。

论文链接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/cc/c7cc09209a