發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明針對(duì)聚合物厚膜組合物。更具體地,該聚合物厚膜組合物可以用于其中要求顯著拉伸的應(yīng)用中,特別是用于可以高度伸長(zhǎng)的基材上。適合的特定類型的基材是可用于可穿戴服裝應(yīng)用的熱塑性聚氨酯(tpu)基材。另一種途徑利用直接印刷到單獨(dú)的織物上,該織物或者包含像碳或銀的導(dǎo)電填料,或者沒(méi)有導(dǎo)電填料,或者織造的或編織的,以產(chǎn)生可拉伸的導(dǎo)電跡線和傳感器。
發(fā)明背景
導(dǎo)電聚合物厚膜(ptf)電路長(zhǎng)期以來(lái)被用作電元件。雖然它們已被用作電元件,但ptf銀導(dǎo)體在高度可拉伸應(yīng)用中的使用(例如用于可穿戴服裝)并不常見(jiàn)。被拉伸和暴露于多次洗滌和干燥循環(huán)并仍然保持導(dǎo)電性的能力是關(guān)鍵的。另外,用于這種類型的應(yīng)用的一種典型的基材是熱塑性聚氨酯基材(tpu基材),并且ptf組合物必須與這種基材相容。本發(fā)明的目的之一是解決上述要求并生產(chǎn)一系列可拉伸的ptf油墨,這些油墨可用于構(gòu)建有待在基材上使用的功能電路,該基材可用作可穿戴服裝或者可以施用到可用作可穿戴服裝的織物上。
發(fā)明概述
本發(fā)明提供了一種聚合物厚膜組合物,包含:
(a)功能組分;以及
(b)有機(jī)介質(zhì),該有機(jī)介質(zhì)包含5-50wt%的溶解在有機(jī)溶劑中的熱塑性聚氨酯樹(shù)脂,該熱塑性聚氨酯具有至少200%的百分比伸長(zhǎng)率和小于1000psi的實(shí)現(xiàn)100%伸長(zhǎng)率所需的拉伸應(yīng)力,其中該重量百分比是基于該有機(jī)介質(zhì)的總重量。
該功能組分的選擇決定了該組合物的特性和可由該組合物形成的聚合物厚膜的種類。
在一個(gè)實(shí)施例中,該功能組分是導(dǎo)電粉末,并且本發(fā)明提供了一種聚合物厚膜導(dǎo)體組合物,該組合物包含:
(a)導(dǎo)電金屬粉末,其中該金屬選自下組,該組由以下各項(xiàng)組成:ag,cu,au,pd,pt,sn,al,ni,ag、cu、au、pd、pt、sn、al、ni的合金以及其混合物;以及
(b)有機(jī)介質(zhì),該有機(jī)介質(zhì)包含5-50wt%的溶解在有機(jī)溶劑中的熱塑性聚氨酯樹(shù)脂,該熱塑性聚氨酯具有至少200%的百分比伸長(zhǎng)率和小于1000psi的實(shí)現(xiàn)100%伸長(zhǎng)率所需的拉伸應(yīng)力,其中該重量百分比是基于該有機(jī)介質(zhì)的總重量。
在另一個(gè)實(shí)施例中,該功能組分是與氯化銀粉末組合的銀粉,并且本發(fā)明提供了一種聚合物厚膜導(dǎo)體組合物,該組合物包含:
(a)與氯化銀粉末組合的銀粉;以及
(b)有機(jī)介質(zhì),該有機(jī)介質(zhì)包含5-50wt%的溶解在有機(jī)溶劑中的熱塑性聚氨酯樹(shù)脂,該熱塑性聚氨酯具有至少200%的百分比伸長(zhǎng)率和小于1000psi的實(shí)現(xiàn)100%伸長(zhǎng)率所需的拉伸應(yīng)力,其中該重量百分比是基于該有機(jī)介質(zhì)的總重量。
在又另一個(gè)實(shí)施例中,該功能組分是石墨、導(dǎo)電碳或其混合物,并且本發(fā)明提供了一種聚合物厚膜外涂層組合物,該組合物包含:
(a)石墨,導(dǎo)電碳或其混合物;以及
(b)有機(jī)介質(zhì),該有機(jī)介質(zhì)包含5-50wt%的溶解在有機(jī)溶劑中的具有至少200%的%伸長(zhǎng)率的熱塑性聚氨酯樹(shù)脂,其中該重量百分比是基于該有機(jī)介質(zhì)的總重量。
在還另一個(gè)實(shí)施例中,該功能組分是氣相二氧化硅,并且本發(fā)明提供了一種聚合物厚膜封裝劑組合物,該組合物包含:
(a)氣相二氧化硅;以及
(b)有機(jī)介質(zhì),該有機(jī)介質(zhì)包含5-50wt%的溶解在有機(jī)溶劑中的具有至少200%的%伸長(zhǎng)率的熱塑性聚氨酯樹(shù)脂,其中該重量百分比是基于該有機(jī)介質(zhì)的總重量。
本發(fā)明進(jìn)一步針對(duì)使用高度可拉伸的組合物來(lái)形成導(dǎo)電電路和外涂層以及封裝劑以保護(hù)在用于可穿戴服裝的基材上的這些電路。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明
本發(fā)明涉及用于在電路并且特別是高度可拉伸的變形電路例如其中在衣物織物上產(chǎn)生功能電路的那些應(yīng)用中使用的聚合物厚膜組合物。這經(jīng)常被稱為可穿戴電子產(chǎn)品。在基材上印刷并干燥導(dǎo)體層,以便產(chǎn)生功能電路,并且然后使整個(gè)電路經(jīng)受織物將受到的典型的彎曲/起折痕。另外,如對(duì)于織物典型的,它們必須在周期性基礎(chǔ)上被洗滌和干燥,并且必須保持該導(dǎo)體的導(dǎo)電性和完整性。
常用于聚合物厚膜電路的基材是聚酯(pet)、聚碳酸酯以及其他。然而,這些不能在此使用。然而,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),一類特定基材,熱塑性聚氨酯基材(tpu),連同在此披露的一系列聚合物厚膜組合物一起產(chǎn)生可拉伸電路,這些可拉伸電路可用于制造可洗滌服裝中的可穿戴電子產(chǎn)品。
在一些實(shí)施例中,該聚合物厚膜(ptf)導(dǎo)體組合物的導(dǎo)電金屬粉末包含(i)銀薄片,或銀薄片和氯化銀粉末或石墨、導(dǎo)電碳或其混合物,和(ii)包含溶解在有機(jī)溶劑中的聚合物樹(shù)脂的有機(jī)介質(zhì)。當(dāng)該導(dǎo)電金屬粉末被氣相二氧化硅代替時(shí),ptf組合物用作封裝劑。另外,可添加其他粉末和印刷助劑以改善組合物。
在此重量百分比寫(xiě)為wt%。
導(dǎo)體組合物
當(dāng)該功能組分是導(dǎo)電材料時(shí),組合物可用于形成電導(dǎo)體。
在一個(gè)實(shí)施例中,該導(dǎo)電金屬粉末是導(dǎo)電金屬顆粒的粉末。該導(dǎo)電金屬選自下組,該組由以下各項(xiàng)組成:ag,cu,au,pd,pt,sn,al,ni,ag、cu、au、pd、pt、sn、al、ni的合金以及其混合物。在實(shí)施例中,導(dǎo)電顆粒包括銀(ag)。在另一個(gè)實(shí)施例中,導(dǎo)電顆??梢岳绨ㄒ韵马?xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng):ag、cu、au、pd、pt、sn、al、ni、ag-pd和pt-au。在另一個(gè)實(shí)施例中,導(dǎo)電顆粒包括以下項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng):(1)al、cu、au、ag、pd和pt;(2)al、cu、au、ag、pd和pt的合金;以及(3)其混合物。在還另一個(gè)實(shí)施例中,導(dǎo)電顆粒包括涂覆有另一種金屬的上述金屬之一,例如ag涂覆的cu、ag涂覆的ni。實(shí)施例包含上述任一種的混合物。
在一個(gè)這樣的實(shí)施例中,本發(fā)明厚膜組合物中的導(dǎo)電粉末是銀粉并且可包含銀金屬粉末、銀金屬合金粉末、或其混合物。設(shè)想了導(dǎo)電粉末的各種粒徑和形狀。在實(shí)施例中,該導(dǎo)電粉末可以包括任何形狀的銀粉,包括球形顆粒、薄片(棒、錐體、板)、以及其混合物。在一個(gè)實(shí)施例中,該導(dǎo)電粉末是呈銀薄片的形式。
在實(shí)施例中,導(dǎo)電粉末的粒度分布可以為1至100微米;在另一個(gè)實(shí)施例中,2-10微米。
在實(shí)施例中,銀顆粒的表面積/重量比可以在0.l-1.0m2/g的范圍內(nèi)。
此外,已知的是,可以在銀導(dǎo)體組合物中添加少量其他金屬,以提高導(dǎo)體的特性。此類金屬的一些實(shí)例包括:金、銅、鎳、鋁、鉑、鈀、鉬、鎢、鉭、錫、銦、鑭、釓、硼、釕、鈷、鈦、釔、銪、鎵、硫、鋅、硅、鎂、鋇、鈰、鍶、鉛、銻、導(dǎo)電碳以及其組合,以及厚膜組合物領(lǐng)域中常見(jiàn)的其他金屬。一種或多種附加的金屬可占總組合物的高達(dá)約1.0重量百分比。
在不同的實(shí)施例中,基于該組合物的總重量,導(dǎo)電金屬粉末可以以20至92wt%、30至70wt%、或45至65wt%存在。
在另一個(gè)導(dǎo)體實(shí)施例中,該功能組分是與氯化銀粉末組合的銀粉?;谠摻M合物的總重量,該組合以20至92wt%存在。銀粉的重量與氯化銀粉末的重量的比率是在9:1至0.1:1的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中,該銀粉是呈銀薄片的形式。
該功能粉末可由石墨、導(dǎo)電碳或混合物組成,并且所得組合物可用作保護(hù)性油墨以形成外涂層。基于該組合物的總重量,石墨、導(dǎo)電碳或混合物的量可以以20至92wt%存在。
有機(jī)介質(zhì)
該有機(jī)介質(zhì)包含溶解在有機(jī)溶劑中的熱塑性聚氨酯樹(shù)脂。該聚氨酯樹(shù)脂必須實(shí)現(xiàn)與下面的基材的良好粘附。在變形以及洗滌和干燥循環(huán)后,該聚氨酯樹(shù)脂必須與電路的性能相容并且不會(huì)不利地影響電路的性能。
在一個(gè)實(shí)施例中,該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂是該有機(jī)介質(zhì)的總重量的5-50wt%。在另一個(gè)實(shí)施例中,該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂是該有機(jī)介質(zhì)的總重量的20-45wt%,并且在還另一個(gè)實(shí)施例中,該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂是該有機(jī)介質(zhì)的總重量的23-30wt%。在實(shí)施例中,該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂是聚氨酯均聚物。在另一個(gè)實(shí)施例中,該聚氨酯樹(shù)脂是聚酯基共聚物。在一個(gè)實(shí)施例中,該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂是主要是線性的羥基聚氨酯。
該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂具有至少200%的%伸長(zhǎng)率。
百分比伸長(zhǎng)率以通常的方式定義:
該熱塑性聚氨酯樹(shù)脂還具有小于1000磅每平方英寸(psi)的實(shí)現(xiàn)100%伸長(zhǎng)率所需的拉伸應(yīng)力。
聚合物樹(shù)脂典型地通過(guò)機(jī)械混合加入到有機(jī)溶劑中以形成該介質(zhì)。適合用于在聚合物厚膜組合物中使用的溶劑由本領(lǐng)域技術(shù)人員識(shí)別并且包括乙酸酯和萜烯,如卡必醇乙酸酯和α-或β-萜品醇或其與其他溶劑如煤油、鄰苯二甲酸二丁酯、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、己二醇和高沸點(diǎn)醇和醇酯的混合物。另外,可以包括在施用在基材上之后用于促進(jìn)快速硬化的揮發(fā)性液體。在本發(fā)明的許多實(shí)施例中,可使用溶劑如二醇醚、酮、酯和相似沸點(diǎn)(在180℃至250℃的范圍內(nèi))的其他溶劑、以及其混合物。配制這些溶劑和其他溶劑的各種組合,以獲得所希望的粘度和揮發(fā)性要求。所用溶劑必須使樹(shù)脂溶解。溶劑可以被加入到組合物中以調(diào)節(jié)粘度并且可以被認(rèn)為是有機(jī)介質(zhì)的一部分。
在不同的實(shí)施例中,基于該組合物的總重量,有機(jī)介質(zhì)可以以8至80wt%、30至70wt%、或35至55wt%存在。
外涂層組合物
本發(fā)明的組合物的特定導(dǎo)體形式可以配制成用作外涂層,以保護(hù)由以上討論的聚合物厚膜導(dǎo)體組合物形成的導(dǎo)體免受洗滌和干燥循環(huán)的惡劣環(huán)境。該聚合物厚膜外涂層組合物通過(guò)使用石墨、導(dǎo)電碳或其混合物和以上提及的有機(jī)介質(zhì)來(lái)配制。該外涂層導(dǎo)致隨著洗滌和干燥循環(huán)的導(dǎo)體耐受性的最小偏移。
封裝劑組合物
還可以配制本發(fā)明的組合物的非導(dǎo)體形式。這種類型的封裝劑或電介質(zhì)是非常有用的,因?yàn)樗Wo(hù)導(dǎo)體免受洗滌和干燥循環(huán)的惡劣環(huán)境。該組合物可以直接沉積在導(dǎo)體上或被施用在外涂層上。該組合物通過(guò)僅使用以上提及的有機(jī)介質(zhì)來(lái)配制,其中根據(jù)需要加入作為粉末的氣相二氧化硅和/或加入染料?;谠摻M合物的總重量,所使用的氣相二氧化硅的量是從0.1至3wt%,并且有機(jī)介質(zhì)的量是從97至99.9wt%。在一個(gè)實(shí)施例中,基于該組合物的總重量,所使用的氣相二氧化硅的量是從0.5至1.5wt%,并且有機(jī)介質(zhì)的量是從98.5至99.5wt%。
附加粉末
可以將各種粉末或添加劑加入ptf組合物中以改善粘附性、改變流變性以及增加低剪切粘度,從而改善可印刷性。
ptf組合物的施用
將ptf組合物,也稱為“糊劑”,沉積在基材上,該基材可用作可穿戴服裝或可施用到可用作可穿戴服裝的織物上。一種基材是熱塑性聚氨酯基材,例如從馬薩諸塞州舍力畢瑪時(shí)聯(lián)合公司(bemisassociates,inc.,shirley,ma)可獲得的bemisst-604。另一種可能的基材是熱塑性聚酯,例如從特拉華州威明頓杜邦公司(dupontco.,wilmington,de)可獲得的
典型地通過(guò)絲網(wǎng)印刷進(jìn)行ptf組合物在基材上的沉積,但可利用其他沉積技術(shù),如模版印刷、注射式滴涂或涂覆技術(shù)。在絲網(wǎng)印刷的情況下,篩網(wǎng)尺寸控制沉積的厚膜的厚度。
一般來(lái)講,厚膜組合物包含給予組合物適當(dāng)功能特性的功能相。例如,該功能相可包含分散于有機(jī)介質(zhì)中的電功能粉末,該有機(jī)介質(zhì)充當(dāng)功能相的載體。一般來(lái)講,燒制該組合物以燒盡有機(jī)介質(zhì)的聚合物和溶劑二者并給予電功能特性。然而,在聚合物厚膜組合物的情況下,有機(jī)介質(zhì)的聚合物部分在干燥后作為組合物的組成部分保留。
在除去所有溶劑所必需的時(shí)間內(nèi)和溫度下加工ptf組合物。例如,通過(guò)暴露于130℃的熱下持續(xù)典型地10-15分鐘來(lái)干燥沉積的厚膜。
電路構(gòu)造
所使用的底部基材典型地為5密耳厚的tpu。按照上述條件,印刷該導(dǎo)體組合物并使其干燥??梢栽诨纳嫌∷⒁粚踊蚨鄬訉?dǎo)體ptf組合物并且使其干燥,并且可以在干燥的導(dǎo)體ptf組合物上施用保護(hù)性外涂層和/或保護(hù)性封裝劑層并使其干燥。在一個(gè)實(shí)施例中,該導(dǎo)體被由本發(fā)明的聚合物厚膜外涂層組合物形成的外涂層覆蓋。在另一個(gè)實(shí)施例中,該導(dǎo)體被由本發(fā)明的聚合物厚膜封裝劑組合物形成的封裝劑層覆蓋。在還另一個(gè)實(shí)施例中,該導(dǎo)體被由本發(fā)明的聚合物厚膜外涂層組合物形成的外涂層覆蓋,該外涂層然后被由本發(fā)明的聚合物厚膜封裝劑組合物形成的封裝劑層覆蓋。
該底部基材可以直接用作可穿戴服裝。可替代地,可以將基材施用到可用于形成可穿戴服裝的織物上。該基材的任一側(cè)可以施用到織物上,即,基材的具有導(dǎo)體的側(cè)面可以與織物相鄰,或者基材的另一側(cè)可以與織物相鄰。熱塑性聚氨酯基材,諸如bemisst-604,粘附到聚氨酯或聚氯乙烯涂覆的織物上。
在另一個(gè)實(shí)施例中,該導(dǎo)體組合物可以直接施用到可拉伸的可滲透織物上。一種這樣的非織造織物是由從法國(guó)科爾馬fruedenbergevolon公司(fruedenbergevolon,colmar,france)可獲得的
ptf組合物的沉積物可以施用到tpu膜上、然后層壓到織物結(jié)構(gòu)上,或直接印刷到織物(包含在纖維中的導(dǎo)電填料)或編織、織造或非織造的織物結(jié)構(gòu)上。在直接在織物上印刷的情況下,導(dǎo)電油墨系統(tǒng)可以是呈絲網(wǎng)印刷或其他非接觸方法例如氣溶膠、擠出印刷或噴墨的形式。典型的方法將是施用熱塑性塑料、uv或兩者的組合的絕緣層以充當(dāng)基層,以防止后續(xù)的導(dǎo)電油墨層諸如銀或碳的滲透或與導(dǎo)電織物結(jié)構(gòu)電相互作用。接下來(lái)的印刷將是導(dǎo)電油墨,接著是絕緣的熱塑性塑料、uv或絕緣體的組合,包括tpu粘合劑或水分阻擋膜的頂層。
實(shí)例和對(duì)比實(shí)驗(yàn)
實(shí)例1
ptf導(dǎo)體組合物按以下方式制備。使用40.0重量份的有機(jī)介質(zhì)并且該有機(jī)介質(zhì)通過(guò)混合28.5wt%的
將該組合物在行星式混合器中混合30分鐘,并且然后使其在三輥軋機(jī)上經(jīng)受若干工序。
然后如下制造電路。在5密耳厚的bemisst-604tpu基材上,使用280目不銹鋼篩網(wǎng)印刷一系列叉指狀組合物線的圖案。將圖案化的線在強(qiáng)制風(fēng)箱爐中在130℃下干燥10分鐘。觀察到50毫歐/方塊/密耳(mohm/sq/mil)的歸一化電阻率。使該圖案經(jīng)受50次洗滌和干燥循環(huán)(40℃洗滌溫度)。在50次洗滌和干燥循環(huán)之前和之后測(cè)量電阻以確定變化。電阻變化在表1中示出。
實(shí)例2
如實(shí)例1中所述生產(chǎn)電路。唯一的區(qū)別在于,在導(dǎo)電組合物的頂部上印刷和干燥本發(fā)明的封裝劑層。用于形成封裝劑層的封裝劑組合物包含1wt%氣相二氧化硅和99wt%的與實(shí)例1中使用的相同的有機(jī)介質(zhì),其中wt%是基于該組合物的總重量。在50次洗滌和干燥循環(huán)之前和之后測(cè)量電阻以確定變化。電阻變化在表1中示出。
對(duì)比實(shí)驗(yàn)a
如實(shí)例1中所述生產(chǎn)電路。唯一的區(qū)別在于,該導(dǎo)體組合物含有兩種不同的樹(shù)脂,具有比實(shí)例1中使用的聚氨酯樹(shù)脂更低的%伸長(zhǎng)率的聚氨酯和羥基醚。在50次洗滌和干燥循環(huán)之前和之后測(cè)量電阻以確定變化。電阻變化在表1中示出。
表1
結(jié)果示出,與對(duì)比實(shí)例a相比,由于使用熱塑性聚氨酯樹(shù)脂,在實(shí)例1和2中獲得了顯著更好的結(jié)果。使用封裝劑進(jìn)一步改善了性能(更低的電阻變化)(與實(shí)例1相比)并且因此支持使用這些組合物用于實(shí)際的可穿戴應(yīng)用如功能性衣物。
實(shí)例3
ptf導(dǎo)體組合物基本上如實(shí)例1所述,使用
實(shí)例4
制備電路并且基本上如實(shí)例3所述測(cè)量電阻。唯一的區(qū)別在于,該ptf導(dǎo)體組合物中使用的聚氨酯樹(shù)脂是
實(shí)例5
制備電路并且基本上如實(shí)例3所述測(cè)量電阻。唯一的區(qū)別在于,該ptf導(dǎo)體組合物中使用的聚氨酯樹(shù)脂是
對(duì)比實(shí)驗(yàn)b
制備電路并且基本上如實(shí)例3所述測(cè)量電阻。唯一的區(qū)別在于,該ptf導(dǎo)體組合物中使用的聚氨酯樹(shù)脂是
對(duì)于實(shí)例3-5和對(duì)比實(shí)驗(yàn)b,在15%伸長(zhǎng)率后的電阻增加匯總在表2中
表2
實(shí)例6
如實(shí)例1所述制備組合物,除了導(dǎo)電金屬粉末由從賓夕法尼亞州哥倫比亞colonial金屬公司(colonialmetalscompany,columbia,pa)獲得的銀薄片粉末和氯化銀粉末構(gòu)成之外。氯化銀粉末顆粒的平均尺寸為15微米。每種組分的wt%為:
電路如實(shí)例1所述制造并成功地用作可穿戴應(yīng)用中的電極。