一种资源可回收和再利用的纸基导电图案制备方法

本发明涉及柔性电子，尤其涉及一种资源可回收和再利用的纸基导电图案制备方法。

背景技术：

1、柔性电子技术的出现引发了人们对其环境影响的关注。塑料基板，作为柔性电子设备常用的主要基板，由于其处理和回收过程，对生态环境构成了显著挑战。塑料难以降解的特性往往导致填埋成为默认的处置方法，从而加剧了环境压力。

2、相比之下，纸张作为一种普遍存在的植物衍生材料，因其柔韧性、成本低廉、可回收性和环保属性，成为柔性电子设备的首选基底。这种偏好推动了在纸张上制造电子设备的研究热潮。然而，纸张固有的多孔性、表面粗糙度以及在干燥时容易起皱的特性，使得传统的设备制造技术变得复杂。为了克服这些障碍，研究者提出了各种策略，包括表面改性、涂层、使用激光打印机打印的碳粉模板以及纳米纤维素纸作为功能层。这些创新使得在纸张上创建导电图案成为可能，从而开发出一系列器件，如纸基晶体管、摩擦电纳米发电机、电池和传感器。

3、尽管这些努力强调了纸张的环保特性，但对于纸基导电图案在资源回收和再利用方面的关注却显得相对不足。考虑到纸张生产过程中不可避免的环境污染和污水排放问题，如何有效地将纸张与附着其上的材料分离以便再次利用，成为了一个亟待解决的关键问题。另外，纸基导电图案的研发目标在于制造出既可以一次性使用、又能被轻松丢弃和回收的器件。为了实现这一目标，我们必须确保制造过程具有高成本效益，尽量避免依赖复杂且昂贵的设备。将临时使用的概念引入到纸基导电图案的设计中，例如通过在纸基底上使用水溶性材料，无疑提供了一个潜在的解决方案。然而，这一方案并非没有挑战。当器件因暴露于雨水或吸收了环境中的湿气而在使用前就失效时，问题就会显现出来。因此，尽管临时性导电图案具备可回收的特性，但在实际应用中，它们仍然需要进行适当的防水处理，以确保其在各种环境条件下都能正常工作。

4、鉴于此，提供一种资源可回收和再利用且具有一定防水性能的纸基导电图案制备方法以解决现有技术中存在的上述缺陷，具有重要的意义。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种资源可回收和再利用的纸基导电图案制备方法，本发明创造要解决的技术问题主要集中在提高纸基导电图案制造过程的环保性、降低成本、简化工艺流程、提高生产效率和产品性能稳定性。

2、第一方面，本发明提供了一种资源可回收和再利用的纸基导电图案制备方法，所述纸基导电图案制备方法包括以下步骤：

3、利用真空抽滤法在未被墨粉遮挡的滤膜区域上沉积导电材料，后烘干，形成具有预设导电图案的滤膜；

4、将具有预设导电图案的所述滤膜和临时基底进行贴合，后进行第一剥离，以实现将预设导电图案转印至临时基底上；

5、于临时基底上涂布虫胶溶液并干燥，后与纸质基材进行对齐并贴合和热压处理，冷却后进行第二剥离，使预设导电图案从所述临时基底转印到所述纸质基材，得到所述纸基导电图案。

6、进一步地，所述纸基导电图案制备方法还包括：

7、进行真空抽滤前，通过办公打印机将预设导电图案打印在透明薄膜上，形成掩模。

8、进一步地，所述导电材料包括金属纳米线、金属纳米棒、金属微米/纳米颗粒、银包铜微米/纳米颗粒、碳纳米管、mxene纳米片、石墨烯、液态金属纳米颗粒、聚苯胺纳米棒、聚乙烯二氧噻吩纳米棒中的至少一种；所述滤膜的材质为混合纤维素酯；所述临时基底为低粘胶带。

9、进一步地，所述真空抽滤法的工作条件包括：压力为0.01～0.1mpa，时间为2～20秒，温度为室温；

10、将具有预设导电图案的所述滤膜和临时基底进行贴合时，温度为室温，压强值：0.1～5mpa，时间为5～20秒。

11、进一步地，所述第一剥离的工作条件参数包括：温度为室温，剥离力为0.01n～1n。

12、进一步地，所述虫胶溶液的制备方法包括以下过程：

13、将重量比为1:(4～8)的虫胶和乙醇进行混合，后加入占虫胶溶液总重量4～6wt％的环氧大豆油或聚乙二醇、甘油、1,2-丙二醇中的一种或两种以上进行搅拌混合所得。

14、进一步地，所述热压处理的工作参数包括：温度为80～120℃，压强值：0.1～5mpa，时间为5～20秒。

15、进一步地，所述第二剥离的工作条件参数包括：温度为室温，剥离力为0.01n～1n。

16、第二方面，本发明提供了一种纸基导电图案，所述纸基导电图案是采用第一方面任一项所述的制备方法制得。

17、本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比至少具有如下优点：

18、本发明实施例提供了一种资源可回收和再利用的纸基导电图案制备方法，本发明结合真空过滤和转移印刷的方法，提供了一种低成本、高效率、环保型的纸基导电图案制造方法，面向标签类、一次性的纸基电子产品，其工艺涉及到的滤膜和临时基底等都可以反复使用，实现了纸基电子设备中资源的后续回收和再利用。这种方法减少了对环境的影响，因为它能够有效地回收再利用材料，并显著减少对自然资源的消耗。该技术突破了传统办公打印设备的局限，避免了光刻和大型真空镀膜设备的使用，降低了生产成本和技术难度。简化的转印步骤提高了生产效率，有助于快速制备出性能稳定、可回收的纸基导电图案，符合绿色制造和可持续发展的目标。具体来说：

19、在制造过程中，所涉及的滤膜和临时基底均可重复使用，极大地降低了生产成本。更独特的是，基于虫胶复合材料转印的导电图案和器件，只需浸泡于乙醇中，便可将虫胶溶解，从而实现所有材料与纸基底的分离。这一创新点不仅实现了纸基底的重复循环使用，还为其他材料和组件的后续回收和再利用提供了可能。此外，虫胶只能溶于乙醇而不溶于水，因此依靠虫胶复合材料转印和封装的器件具备一定的防水特性。

20、环境友好型技术：针对现有技术在制造过程中资源消耗大和环境污染严重的问题，本发明采用了环保材料和可回收再利用的策略，减少了对自然资源的消耗，降低了生产对环境的影响。

21、成本降低：通过避免使用昂贵的光刻和大型真空镀膜设备，以及结合普及度高、成本低廉的办公打印设备，本发明显著降低了生产成本，使得纸基电子产品更加经济实惠。

22、简化工艺流程：现有的印刷和转印工艺步骤复杂，本发明通过创新的转印技术和材料设计，简化了工艺流程，避免了复杂的技术操作，提高了生产效率。

23、提高生产效率：本发明的制造工艺可以实现快速制备，与传统方法相比，大大提高了纸基导电图案的生产效率，且具有较高的成功率。

24、产品性能稳定性：通过采用具有均匀分散性和良好导电性能的低维纳米材料，以及虫胶复合材料的创新应用，确保了导电图案的精确度和稳定性，从而提高了最终产品的性能稳定性。

25、可折叠性和轻量化：由于纸是生物质材料，可以环境降解、回收再利用，且对人体无害，本发明支持可折叠的柔性电子产品的开发，实现了产品的轻量化。

26、多样化应用潜力：本发明的潜在应用广泛，包括纸基传感器、纸基电池、纸基微流控器件、纸基射频识别标签、血糖试纸和电化学电极等，为纸基电子产品的多样化和功能性提供了新的可能。

27、综上所述，本发明创造旨在解决现有纸基电子制造技术中的环保性差、成本高、流程复杂、效率低和性能不稳定等问题，通过创新的材料选择和工艺流程，实现了高效、经济、环保的纸基电子产品制造方法。