[發(fā)明專利]一種基于電化學聚合的聚吡咯微增材制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210382001.1
• 申請日: 2022-04-13
• 公開（公告）號: CN114770925B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設計）人: 石鎧源;王冰冰;廖思蔚;楊亞斌
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: B29C64/106
• 分類號: B29C64/106;C08G73/06;C25D9/02;C25D5/02;B33Y10/00;B33Y70/10;B33Y80/00
• 代理公司: 深圳市創(chuàng)富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 高冰

本發(fā)明屬于電化學增材制造技術領域，具體涉及一種基于電化學聚合的聚吡咯微增材制造方法。本發(fā)明公開了一種基于電化學聚合的聚吡咯微增材制造方法，能夠使聚吡咯的合成與成型一步完成，減少分步加工過程中“邊角料”的損失；同時能夠滿足微增材制造均勻連續(xù)性的要求，實現(xiàn)了聚吡咯在電化學微增材制造領域中應用的可行性，為導電高分子聚吡咯的3D微增材制造提供新的思路；此外，還突破了傳統(tǒng)增材制造合成工藝只能進行平面合成的局限性，可以根據人為意愿來進行不同形狀的3D聚吡咯產品的成型設計。

技術領域

本發(fā)明屬于電化學增材制造技術領域，具體涉及一種基于電化學聚合的聚吡咯微增材制造方法。

背景技術

電化學沉積3D打印技術，又稱電化學增材制造技術，與傳統(tǒng)的合成工藝相比，能使目標產物與成型在一步內完成，從而降低了制備工藝的難度；同時與用粉末狀材料粘合的傳統(tǒng)3D打印技術相比，電化學直寫3D打印可以實現(xiàn)尺寸更小的微納米精度的結構設計，比如微小孔、3D支柱陣列的打印等。最重要的是，電化學直寫3D打印突破了傳統(tǒng)合成工藝在增材制造領域只能合成“2D平面”的局限，可以根據人為意愿來進行“3D立體”設計。

起初，高分子材料都被用于制備絕緣材料，直至導電高分子被科學家發(fā)現(xiàn)。導電高分子既具有導電性能，又具有高分子在可設計性、可加工性方面的優(yōu)勢，在電子器件領域極具應用前景，它的出現(xiàn)不僅打破了高分子絕緣的傳統(tǒng)觀念，而且催發(fā)了低維固體電子學、分子電子學等新學科的建立和完善。導電高分子相比于傳統(tǒng)金屬而言，其優(yōu)越性在于兼具良好的電化學性能和有機高分子材料的性能。有研究表明，高導電材料特別適合于可伸縮電子器件的開發(fā)，密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜等特點使其不僅可以作為多種金屬材料和無機導電材料的代用品，而且也在許多先進工業(yè)和尖端技術領域逐漸嶄露頭角，應用前景十分廣闊。

聚吡咯是一種性能良好的導電高分子材料。當前，聚吡咯的聚合方法主要分為電化學聚合法和化學聚合法(氧化還原法)兩種。其中，電化學聚合法是將聚合單體溶解于溶液中，通過外加電壓的方式提供驅動力，提供聚合反應所需要的能量，促使單體聚合為聚合物(一般在陽極聚合)。化學氧化法則主要是通過在溶解聚合單體的溶液中加入適量氧化劑，使得單體在體系中直接發(fā)生反應生成聚合物。常見的電化學3D打印沉積技術可以分為電鑄式技術、局部電沉積技術和基于彎月面引導的電化學沉積技術三類。其中，基于彎月面引導的電化學沉積技術包括單針頭和雙針頭兩種電化學直寫3D打印技術。與化學聚合法相比，電化學聚合法有如下優(yōu)點：(1)實驗條件要求簡便，常溫下即可反應；(2)工藝流程簡單，可多步合成，大幅縮短實驗步驟；(3)聚合物的摻雜、聚合以及成膜可在工作電極上一步完成，且可以通過控制反應條件(如電流、電壓)來控制成膜厚度；(4)反應易于控制，可通過電源開關來控制反應的開始、暫停和結束；(5)可通過調整電解液組成和工藝參數得到不同結構及性能的高分子膜，適應不同用途的要求；(6)原料單體直接在基底上聚合成膜，不需使用大量揮發(fā)性有機溶劑，清潔生產；(7)可與3D打印技術相結合，實現(xiàn)微區(qū)域內的電化學聚合，多應用于微型電子器件制備領域。因此，聚吡咯的電化學增材制造主要采用的是電化學聚合法。

雖然，電化學沉積3D打印技術憑借其諸多優(yōu)勢向我們展示了其未來應用的巨大潛力。但是對于聚吡咯來說，其在基底表面沉積的速度通常難以跟上打印針頭移動的速度，因此難以保證打印沉積底物的連續(xù)性，就像用鋼筆寫字時，手已經劃過去，但由于墨水沒有映在紙上而出現(xiàn)“斷水”現(xiàn)象，這不僅導致其電化學性能隨著沉積物連續(xù)性被破壞而顯著下降，同時導致生產速率過慢，進而難以滿足其走向市場應用的產能效率條件。

因此，有必要開發(fā)出一種可行的基于電化學聚合的聚吡咯微增材制造方法，以突破聚吡咯目前應用在電化學微增材制造方面的速率較慢、打印連續(xù)性不足的問題。

發(fā)明內容

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于電化學聚合的聚吡咯微增材制造方法，突破了聚吡咯體系在電化學微增材制造方面的應用瓶頸(速率較慢、打印連續(xù)性不足等)，通過合適的工藝參數設置實現(xiàn)了導電高分子體系在電化學沉積3D打印的應用。