一种激光直接结构化柔性织物

摘要

本发明公开了一种激光直接结构化柔性织物，所述激光直接结构化柔性织物是由以下重量百分比计的原料：聚丙烯腈基体材料90-94％，激光直接结构化添加剂3-7.5％，石墨烯1-1.5％，偶联剂0.9-1.2％，润滑剂0.3-0.6％；混合，干燥后，纺丝，制成柔性织物，经激光诱导形成电路模版，最后通过化学镀和电镀将金属沉积在电路模版上形成金属电路而成。本发明能够用于激光直接结构化处理，并且能够保持聚丙烯腈织物原有的各项性能，该激光直接结构化的柔性织物拟应用于智能服装、柔性医疗器械、可穿戴式通讯设备、柔性电路板等领域。

权利要求

1.一种激光直接结构化柔性织物，其特征在于，所述激光直接结构化柔性织物是由以下重量百分比计的原料：聚丙烯腈基体材料90-94%，激光直接结构化添加剂3-7.5%，石墨烯1-1.5%，偶联剂0.9-

1.2%，润滑剂0.3-0.6%；所述激光直接结构化添加剂由微米级二氧化锡颗粒与纳米级二氧化锡颗粒组成，纳米级二氧化锡颗粒占激光直接结构化添加剂的重量百分比为25-35%；所述微米级二氧化锡颗粒粒径在5-30微米，所述纳米级二氧化锡颗粒粒径在10-200 纳米；

混合，干燥后，纺丝，制成柔性织物，经激光诱导形成电路模版，最后通过化学镀和电镀将金属沉积在电路模版上形成金属电路而成。

2.根据权利要求1所述的一种激光直接结构化柔性织物，其特征在于：所述偶联剂由磷酸酯偶联剂与硅烷偶联剂按照1:1-2的重量比混合而成。

3.根据权利要求2所述的一种激光直接结构化柔性织物，其特征在于：所述原料混合的具体步骤为：将磷酸酯偶联剂与无水乙醇混合形成质量浓度为20%-40%的磷酸酯偶联剂溶液，然后将激光直接结构化添加剂加入磷酸酯偶联剂溶液中，搅拌混合10-15min，接着加入硅烷偶联剂，搅拌混合60-80min，最后加入聚丙烯腈基体材料、石墨烯及润滑剂，搅拌混合均匀。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种激光直接结构化柔性织物，其特征在于：所述干燥为50-60℃下真空干燥3-5小时。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种激光直接结构化柔性织物，其特征在于：所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺。

说明书

一种激光直接结构化柔性织物

技术领域

[0001] 本发明涉及一种柔性织物，特别涉及一种激光直接结构化柔性织物。

背景技术

[0002] 印刷导体注塑设备(molded injection devices，MID)可通过掩模法、电镀(或化学镀)过程在三维模塑部件上构建电路。与由玻璃纤维增强的塑料等制成的常规电路板相反，以这种方式制备的MID组件的三维结构，使其不仅具有印刷电路板的精确结构、同时所购建的电路能够替代电器或者电子设备中的布线，从而节约空间，能够将电子设备制造得更小，并且通过减少组件数和接触步骤而降低制造成本。这些MID设备大量用于手机，集成电路、电脑主办一起其他电子设备的生产应用中。

[0003] 模压金属(stamp metal)、安装柔性印刷电路板(FPCB)和两段模塑方法(two-shot molding method)是三种现存的制备MID的技术。但是，模压和安装FPCB的方法在图案几何中具有局限性，且模具昂贵，在生产不同要求的图案时需更换模具从而耗时耗力。而两段模塑方法虽已经用来生产具有三维结构的MID设备，但是其生产过程中会对环境产生较大的污染。

[0004] 因此，开发新型的MID技术成为了当今国内外相关行业的流行趋势。其中，激光直接结构化(Laser directly structuring,LDS)技术受到了研究人员和开发人员的广泛关注。在LDS方法中，计算机控制的激光束能够在MID上移动从而在塑料表面留下预设电路的印迹，该印迹能够经过后期处理(包括电镀和化学镀方法等)形成所需的电路。LDS方法可获得150微米或者更小的导电路径宽度。此外，导电路径之间的间隔也可以是150微米或者更小，因此，由该方法形成的MID能够减小电子设备的体积和重量。此外，LDS还具有其他方法所不具备的灵活性和便捷性；仅仅通过对控制激光的重新编程既能够得到新的电路图案和电路设计。

[0005] 但是，目前该方法仅仅应用于塑料、陶瓷等刚性材料的表面电路的构建和生产。而在一些特殊的应用方面，这些材料已经远远不能满足实际需要，如智能服装、柔性医疗器械、可穿戴式通讯设备、柔性电路板等领域。因此，有必要开发一种柔性的织物材料，使其能够通过LDS方法设计并构建电子电路。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种激光直接结构化柔性织物，能够用于激光直接结构化处理，并且能够保持聚丙烯腈织物原有的各项性能，该激光直接结构化的柔性织物拟应用于智能服装、柔性医疗器械、可穿戴式通讯设备、柔性电路板等领域。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0008] 一种激光直接结构化柔性织物，所述激光直接结构化柔性织物是由以下重量百分比计的原料：

[0009] 聚丙烯腈基体材料90-94％，激光直接结构化添加剂3-7.5％，石墨烯1-1.5％，偶联剂0.9-1.2％，润滑剂0.3-0.6％；

[0010] 混合，干燥后，纺丝，制成柔性织物，经激光诱导形成电路模版，最后通过化学镀和电镀将金属沉积在电路模版上形成金属电路而成。

[0011] 本发明的核心为采用特定的激光直接结构化添加剂对聚丙烯腈基体材料进行改性，以使得材料具有激光诱导金属化特性，加工成型后，材料表面经过激光照射(诱导)的表面部分会形成金属化颗粒，直接采用化学镀(电镀)之后就能形成电子线路，操作简便，时间短，成本低。通过控制激光的照射路线就能调整不同的电子线路雏形，经化学镀(电镀)加工成电子线路，调整方便、灵活。激光诱导金属化后，经诱导部分的材料表面粗糙度提高，这样化学镀(电镀)后镀层与基材的结合力好，省去了化学镀(电镀)前对基材的额外表面处理工序。

[0012] 本发明选用特定的激光直接结构化添加剂进行激光诱导，激光直接结构化添加剂为非铜系的二氧化锡，浅色，可实现成型制品的色泽可调控，此外该类激光直接结构化添加剂在激光照射下，化学键结构更容易遭受到破坏，金属离子被释放出来形成金属核，可有效提高化学金属化加工中的金属层沉积效率。本发明选用特定的激光直接结构化添加剂其与材料其它组分配合后激光诱导金属化效果好，且化学镀(电镀)后金属在基材上的附着力佳，还能提高材料的耐高温、导热和阻燃性能。

[0013] 纳米级激光直接结构化添加剂(纳米级二氧化锡颗粒)具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，具有非常高的比表面积，因此颗粒里每一个粒子组成原子少，表面处于亚稳定状态，使其表面晶格震动振幅较大，在高能量激光激发下更容易导致电子层跃迁，形成金属活性中心，缩短诱导周期；此外由于更小的颗粒尺寸，在单位面积内将会形成更致密、数量更多的活性种，可以降低整个纳米级激光直接结构化添加剂的添加量。

[0014] 本发明将特定尺寸的微米级激光直接结构化添加剂(微米级二氧化锡)与特定尺寸的纳米级激光直接结构化添加剂(纳米级二氧化锡)复合，形成了很强的尺寸效应，可以大大降低用量和成本。控制微米级二氧化锡和纳米级二氧化锡的配比及尺寸大小，这样材料表面经过激光照射(诱导)的表面部分形成的金属化颗粒粗糙度好，化学镀后金属在基材上的附着力佳，不易脱落。虽然使用纯纳米级激光直接结构化添加剂虽然能提高化学镀后金属在基材上的附着力和阻燃性，但是溢镀率较大，通过特定控制微米级二氧化锡和纳米级二氧化锡配合，能保证化学镀后金属在基材上的附着力和阻燃性的基础上，解决溢镀率较大的问题。

[0015] 石墨烯的加入能增加织物对激光能量的吸收能力，从而有效提高激光诱导激光直接结构化添加剂的效果。

[0016] 作为优选，所述偶联剂由磷酸酯偶联剂与硅烷偶联剂按照1:1-2的重量比混合而成。

[0017] 作为优选，所述原料混合的具体步骤为：将磷酸酯偶联剂与无水乙醇混合形成质量浓度为20％-40％的磷酸酯偶联剂溶液，然后将激光直接结构化添加剂加入磷酸酯偶联剂溶液中，搅拌混合10-15min，接着加入硅烷偶联剂，搅拌混合60-80min，最后加入聚丙烯腈基体材料、石墨烯及润滑剂，搅拌混合均匀。

[0018] 发明人研究发现，先通过使用磷酸酯偶联剂对激光直接结构化添加剂进行一次表面处理，磷酸酯偶联剂混入激光直接结构化添加剂后，能有效渗入激光直接结构化添加剂颗粒之间的间隙，使激光直接结构化添加剂颗粒间相对隔离，能有效的提高激光直接结构化添加剂颗粒间的分散性，然后再通过添加硅烷偶联剂对处理过的激光直接结构化添加剂进行二次表面处理，这样能有效解决激光直接结构化添加剂团聚的问题，使硅烷偶联剂有效的包裹激光直接结构化添加剂颗粒，进一步的防止了激光直接结构化添加剂颗粒的团聚，为后续的聚丙烯腈添加做好了有效的铺垫作用，从而提高了激光直接结构化添加剂的有效使用率。

[0019] 作为优选，所述干燥为50-60℃下真空干燥3-5小时。真空干燥能去除多余的水分及降乙醇排除。

[0020] 作为优选，所述激光直接结构化添加剂由微米级二氧化锡颗粒与纳米级二氧化锡颗粒组成，纳米级二氧化锡颗粒占激光直接结构化添加剂的重量百分比为25-35％。

[0021] 作为优选，所述微米级二氧化锡颗粒粒径在5-30微米，所述纳米级二氧化锡颗粒粒径在10-200纳米。

[0022] 作为优选，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺。

[0023] 本发明的有益效果是：能够用于激光直接结构化处理，并且能够保持聚丙烯腈织物原有的各项性能，该激光直接结构化的柔性织物拟应用于智能服装、柔性医疗器械、可穿戴式通讯设备、柔性电路板等领域。

具体实施方式

[0024] 下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

[0025] 本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

[0026] 聚丙烯腈基体材料为分子量为1300000的聚丙烯腈粉体(市售)。

[0027] 实施例1：

[0028] 一种激光直接结构化柔性织物，原料配方为：

[0029] 聚丙烯腈基体材料90kg，激光直接结构化添加剂7.5kg，石墨烯1kg，偶联剂1.2kg，润滑剂(乙撑双硬脂酰胺)0.3kg，其中激光直接结构化添加剂由微米级二氧化锡颗粒与纳米级二氧化锡颗粒组成，纳米级二氧化锡颗粒占激光直接结构化添加剂的重量百分比为25％；偶联剂由磷酸酯偶联剂(市售)与硅烷偶联剂(KH550，市售)按照1:1的重量比混合而成。原料混合：将磷酸酯偶联剂与无水乙醇混合形成质量浓度为20％的磷酸酯偶联剂溶液，然后将激光直接结构化添加剂加入磷酸酯偶联剂溶液中，搅拌混合10min，接着加入硅烷偶联剂，搅拌混合60min，最后加入聚丙烯腈基体材料、石墨烯及润滑剂，搅拌混合均匀。

[0030] 然后将混合好的原料在50℃下真空干燥5小时，干燥后的原料溶解于二甲基甲酰胺(原料浓度为245克/升)，并依次通过二甲基甲酰胺/蒸馏水(体积比为6：4)、二甲基甲酰胺/蒸馏水(体积比为2：8)和蒸馏水的凝固浴进行纺丝，纺丝牵伸速度为4米/秒。

[0031] 纺丝获得的纤维经过后续1.4倍牵伸后采用经编机得到聚丙烯腈织物。

[0032] 采用波长为405纳米的蓝紫激光对织物进行刻蚀，其中，激光功率为3.4W，激光频率为60KHz，刻蚀速度为3.0米/秒。

[0033] 而后，浸入银氨/甲醛的混合溶液(其中，银氨溶液由2wt％的硝酸银溶液和2％的稀氨水构成，甲醛溶液的浓度为3％；银氨溶液与甲醛溶液的比例为1：1混合)，在70℃化学镀30分钟，织物经烘干测试其电阻率为：1.2×10-2Ω/m；而后，将已化学镀的织物作为阳极，铜片作为阴极，经电镀形成铜电路，所用电压为12V，电镀时间为20分钟；烘干后电路的电阻率下降为2.7×10-5Ω/m。

[0034] 实施例2：

[0035] 一种激光直接结构化柔性织物，原料配方为：

[0036] 聚丙烯腈基体材料94kg，激光直接结构化添加剂3kg，石墨烯1.5kg，偶联剂0.9kg，润滑剂(乙撑双硬脂酰胺)0.6kg，其中激光直接结构化添加剂由微米级二氧化锡颗粒与纳米级二氧化锡颗粒组成，纳米级二氧化锡颗粒占激光直接结构化添加剂的重量百分比为35％；偶联剂由磷酸酯偶联剂(市售)与硅烷偶联剂(KH570，市售)按照1:2的重量比混合而成。原料混合：将磷酸酯偶联剂与无水乙醇混合形成质量浓度为40％的磷酸酯偶联剂溶液，然后将激光直接结构化添加剂加入磷酸酯偶联剂溶液中，搅拌混合15min，接着加入硅烷偶联剂，搅拌混合80min，最后加入聚丙烯腈基体材料、石墨烯及润滑剂，搅拌混合均匀。

[0037] 然后将混合好的原料在60℃下真空干燥3小时，干燥后的原料溶解于二甲基甲酰胺(原料浓度为245克/升)，并依次通过二甲基甲酰胺/蒸馏水(体积比为6：4)、二甲基甲酰胺/蒸馏水(体积比为2：8)和蒸馏水的凝固浴进行纺丝，纺丝牵伸速度为4米/秒。

[0038] 纺丝获得的纤维经过后续1.4倍牵伸后采用经编机得到聚丙烯腈织物。

[0039] 采用波长为405纳米的蓝紫激光对织物进行刻蚀，其中，激光功率为3.4W，激光频率为60KHz，刻蚀速度为3.0米/秒。

[0040] 而后，浸入银氨/甲醛的混合溶液(其中，银氨溶液由2wt％的硝酸银溶液和2％的稀氨水构成，甲醛溶液的浓度为3％，银氨溶液与甲醛溶液的比例为1：1混合)，在70℃化学镀30分钟，织物经烘干测试其电阻率为：2.7×10-2Ω/m；而后，将已化学镀的织物作为阳极，铜片作为阴极，经电镀形成铜电路，所用电压为12V，电镀时间为20分钟；烘干后电路的电阻率下降为4.2×10-5Ω/m。

[0041] 实施例3：

[0042] 一种激光直接结构化柔性织物，原料配方为：

[0043] 聚丙烯腈基体材料92kg，激光直接结构化添加剂5.3kg，石墨烯1.2kg，偶联剂1kg，润滑剂(乙撑双硬脂酰胺)0.5kg，其中激光直接结构化添加剂由微米级二氧化锡颗粒与纳米级二氧化锡颗粒组成，纳米级二氧化锡颗粒占激光直接结构化添加剂的重量百分比为30％；偶联剂由磷酸酯偶联剂(市售)与硅烷偶联剂(KH560，市售)按照1:1.5的重量比混合而成。原料混合：将磷酸酯偶联剂与无水乙醇混合形成质量浓度为30％的磷酸酯偶联剂溶液，然后将激光直接结构化添加剂加入磷酸酯偶联剂溶液中，搅拌混合12min，接着加入硅烷偶联剂，搅拌混合70min，最后加入聚丙烯腈基体材料、石墨烯及润滑剂，搅拌混合均匀。

[0044] 然后将混合好的原料在55℃下真空干燥4小时，干燥后的原料溶解于二甲基甲酰胺(原料浓度为245克/升)，并依次通过二甲基甲酰胺/蒸馏水(体积比为6：4)、二甲基甲酰胺/蒸馏水(体积比为2：8)和蒸馏水的凝固浴进行纺丝，纺丝牵伸速度为4米/秒。

[0045] 纺丝获得的纤维经过后续1.4倍牵伸后采用经编机得到聚丙烯腈织物。

[0046] 采用波长为405纳米的蓝紫激光对织物进行刻蚀，其中，激光功率为3.4W，激光频率为60KHz，刻蚀速度为3.0米/秒。

[0047] 而后，浸入银氨/甲醛的混合溶液(其中，银氨溶液由2wt％的硝酸银溶液和2％的稀氨水构成，甲醛溶液的浓度为3％，银氨溶液与甲醛溶液的比例为1：1混合)，在70℃化学镀30分钟，织物经烘干测试其电阻率为：3.6×10-2Ω/m；而后，将已化学镀的织物作为阳极，铜片作为阴极，经电镀形成铜电路，所用电压为12V，电镀时间为20分钟；烘干后电路的电阻率下降为5.8×10-5Ω/m。

[0048] 以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。