一种低温固化型柔性银/氯化银电极、制备方法及其用途与流程

1.本发明涉及一种低温固化型柔性银/氯化银电极、制备方法及其用途，属于电子信息新材料领域。


背景技术：

2.生物医用电极作为一种可以有效地将生物体表的离子电流转换为电信号从而实现对生物电测量的传感器，是生物医学检测系统中的关键组成部分。生物电极要求具有良好导电性能、稳定电极电位、较低阻抗值、对人体刺激小等性能。
3.目前生物电极检测存在的难点主要有：
4.(1)可检测的生物电信号微弱且信号源阻抗高；
5.(2)生物体与电极接触界面现象复杂，极化、飘逸、干扰和噪声等不稳定因素不易控制等。
6.标准湿银/氯化银电极是一种常见的参比电极，因其可以在较低的电流条件下，将离子电流转换为电子电流，且具有交换电流密度大、电流电位恒定、低阻抗、低极化和抗干扰能力强等优点，在现代临床检测和生物医学测量等方面有着广泛地应用。
7.传统银/氯化银电极一般由电极芯、银-氯化银层、导电凝胶和无纺布等部分组成，一般采用电解、电镀、粉末压片烧结等方法加工制成。例如，中国专利cn109645986a公开了一种柔性生物电极用低温固化银/氯化银浆料及其制备方法，将银粉与氯化银粉充分混合制成银/氯化银浆料，再将银/氯化银浆料印刷的柔性基底。
8.上述电极及制备方法往往存在着下述不足：
9.(1)形成的氯化银层通常较薄，使用过程中容易脱落造成对电极性能的不利影响；
10.(2)银-氯化银比例控制影响电极性能，氯化银比例过高会影响电极导电性，氯化银比例过低则无法与银颗粒形成均匀的银/氯化银分散界面也会影响低极化的电化学特性；
11.(3)同时制备银-氯化银层时，氯化银颗粒在银粉表面易团聚而影响电极导电性；
12.(4)传统制备方法工艺较为复杂，不利于大批量工业生产组装。
13.中国专利cn113433183a公开了一种纤维状的柔性固态银/氯化银参比电极及其制备方法和应用，采用电化学沉积法在柔性纤维状导电基底上沉积银层，再通过电化学氯化法将柔性纤维状导电基底/银电极表面的银部分转化为氯化银层，该方法合成氯化银时银层与cl-直接接触，局部ag
+
过量会导致生成的氯化银团聚，易造成导电性下降、电极性能指标不佳等问题出现。


技术实现要素：

14.本发明所要解决的技术问题是银-氯化银比例控制以及氯化银颗粒在银粉表面易团聚等问题。
15.本发明提供一种低温固化型柔性银/氯化银电极、制备方法及其用途，本发明先通
过丝网印刷制备成银电极再将电极片浸入氯盐水溶液在通电条件下水热20～40min制备出银/氯化银电极，克服了同时制备时银-氯化银比例控制不当和氯化银颗粒在银粉表面团聚而造成的导电性下降的缺点，适应于大批量工业生产组装。
16.本发明的低温固化型柔性银/氯化银电极，具有制备工艺简单、成本较低、无需二次固化、可以有效控制银/氯化银比例、防止氯化银颗粒在银粉表面团聚等优点，同时与人体组织更为贴合、还可以印刷成不同的形状，满足实际使用的不同检测设计要求。
17.根据第一方面，本发明提供一种低温固化型柔性银/氯化银电极，该柔性银/氯化银电极是通过先将银浆印刷在柔性基底上制得银柔性电极片、再将银柔性电极片浸入5～15wt％氯盐水溶液在通电条件下水热20～40min制备得到的。所述银浆的成分为：30～80wt％银粉、20～70wt％有机载体，所述有机载体为：25～89wt％树脂、5～40wt％有机溶剂、5～15wt％固化剂、0.01～10wt％固化促进剂和0.01～10wt％助剂。
18.根据第二方面，本发明提供一种低温固化型柔性银/氯化银电极的制备方法，包括以下步骤：
19.(1)将树脂、有机溶剂和助剂混合，用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入固化剂、固化促进剂，用高速分散机混合混合40min得有机载体；
20.(2)往上述有机载体中加入银粉，使用双行星搅拌机预混合成浆，使用三辊研磨机研磨分散，最后减压脱泡得到银浆；
21.(3)将上述银浆应用于印刷在柔性基底上制备银柔性电极片，其中柔性基底选自聚二甲基硅氧烷pdms、聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚酰亚胺pi、聚丙烯pp、聚氨基甲酸酯pu；
22.(4)将上述电极片浸入氯盐水溶液中在通电条件下水热20～40min即可得到柔性银/氯化银电极。
23.进一步地，上述的银粉、氯盐、树脂、有机溶剂、固化剂、固化促进剂及助剂等可以采用下述优选：
24.优选的，所述银粉为由片状、球状银粉中的一种或两种组成，且所述银粉为纳米级银粉及微米级银粉的混合粉，微米级片状银粉的最大片径＜25微米，微米级球状银粉的最大粒径＜3微米，片状银粉的振实密度1.5～5.5g/cm3，烧损率＜0.7％，比表面积0.8～2.5m2/g，球状银粉的振实密度3.5～5.6g/cm3，烧损率＜0.9％，比表面积1.3～1.7m2/g。
25.优选的，所述氯盐为氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种。
26.优选的，所述树脂主要包括环氧树脂、氯醋树脂、聚硅酮、聚酰亚胺、聚氨酯、氰酸酯、改性环烯烃热固性材料、丙烯酸、丙烯酸酯中的一种或多种。
27.优选的，所述有机溶剂包括乙酸丁酯、丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、甲酸-2-乙基酯、乙醇、乙酸乙酯、二乙二醇丁醚乙酸酯、二乙二醇乙醚乙酸酯、混合二元酸酯dbe、环己酮、乙二醇乙醚乙酸酯、乙二醇丁醚乙酸酯中的一种或多种。
28.优选的，所述固化剂包括酚醛树脂、咪唑、脂肪族胺、异氰酸酯中的一种或多种。
29.优选的，所述固化促进剂包括三苯基膦、bf3络合物、2-甲基乙基咪唑、苯酚、酰胺、季铵盐、乙二醇、丙三醇、季戊四醇、一缩二乙二醇、木糖醇、山梨醇中的一种或多种。
30.优选的，所述助剂包括硅烷类偶联剂、酞酸酯类偶联剂、锡类偶联剂、羟基聚二甲基硅氧烷、氟硅酮、有机改性聚硅氧烷中的一种或多种。
31.优选的，有机载体的制备包括如下步骤：将树脂、有机溶剂和助剂混合，用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入固化剂、固化促进剂，用高速分散机混合40min得有机载体。
32.根据第三方面，本发明提供所述低温固化型柔性银/氯化银电极的用途，所述柔性银/氯化银电极应用于生物传感器电极、心电电极、电化学参比电极、血糖测试参比电极或环境测试电极领域。
33.本发明的机理：
34.银/氯化银电极可以在较低的电流条件下，将离子电流转换为电子电流，且具有交换电流密度大、电流电位恒定、低阻抗、低极化和抗干扰能力强等优点，传统银/氯化银电极一般由电极芯、银/氯化银层、导电凝胶和无纺布等部分组成，一般采用电解、电镀、粉末压片烧结等方法加工制成，制备工艺较为复杂。银/氯化银电极的性能主要取决于微观上的界面情况，由于氯化银不导电，其比例过高会影响电极导电性，其比例过低则无法与银颗粒形成均匀的银/氯化银分散界面会影响低极化的电化学特性。
35.本发明使用低温固化型银浆料制成的柔性电极，制备工艺简单、成本较低、无需二次固化、可以有效控制银/氯化银比例、与人体组织更为贴合、还可以印刷成不同的形状，满足实际使用的不同检测设计要求，同时先通过丝网印刷制备成银电极再将电极片浸入氯盐水溶液在通电条件下水热20～40min制备出银/氯化银电极，克服了同时制备时氯化银颗粒在银粉表面团聚，造成导电性下降的缺点。丝网印刷制备得到的银电极片，银粉在树脂中均匀分散，同时树脂在银粉表面形成了一层保护层，后续的水热合成过程中cl-未直接与银粉大面积接触，树脂层作为传导通道可以有效控制cl-的渗入量和其与银粉的接触面积，生成的氯化银粒子与片状银粉通过物理搭接的方式进行连接，可以有效防止氯化银颗粒的团聚。直接水热合成氯化银颗粒需要2～2.5h，通电后反应时间可缩短至20～40min。
36.本发明具有以下有益效果：
37.1)本发明通过使用低温固化型银浆料制成柔性电极，再将电极片浸入氯盐水溶液在通电条件下水热制备出银/氯化银电极。氯化银合成过程中如果ag
+
和cl-比例控制不当，就会出现团聚现象，因此合成时需要时刻控制保证cl-处于过量状态，但采用水热法可以精确控制银/氯化银的重量和比例。本发明的制备方法简单，无需二次固化，克服了同时制备时银-氯化银比例控制不当以及氯化银颗粒在银粉表面团聚，易造成导电性下降的缺点，同时制成的电极片具有交换电流密度大、电流电位恒定、低阻抗、低极化和抗干扰能力强等优点，且还可以印刷成不同的形状，满足实际使用的不同检测设计要求。
38.2)本发明方法制备的银/氯化银电极，可以印刷在pet、pi等难附着的柔性基底材料上，固化温度80～150℃，固化时间5～30min，附着力大于百格4b，相应的方阻小于0.3ω/
□
，自噪声性能在低频段表现优异，电位稳定性小于1mv/h，满足常规生物电信号测量要求。
附图说明
39.图1是本发明实施例1制得的银/氯化银柔性生物电极的扫描电镜图。
40.图2是本发明实施例1制得的银/氯化银柔性生物电极的eds图。
41.图3是本发明实施例1制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图
42.图4是本发明实施例2制得的银/氯化银柔性生物电极的扫描电镜图。
43.图5是本发明实施例2制得的银/氯化银柔性生物电极的eds图。
44.图6是本发明实施例2制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图
45.图7是本发明实施例3制得的银/氯化银柔性生物电极的扫描电镜图。
46.图8是本发明实施例3制得的银/氯化银柔性生物电极的eds图。
47.图9是本发明实施例3制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图
48.图10是本发明实施例4制得的银/氯化银柔性生物电极的扫描电镜图。
49.图11是本发明实施例4制得的银/氯化银柔性生物电极的eds图。
50.图12是本发明实施例4制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图。
51.图13是本发明实施例5制得的银/氯化银柔性生物电极的扫描电镜图。
52.图14是本发明实施例5制得的银/氯化银柔性生物电极的eds图。
53.图15是本发明实施例5制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图。
具体实施方式
54.实施例1
55.取70wt％环氧树脂加入到15wt％丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、二乙二醇丁醚乙酸酯混合溶剂中，使用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入10wt％脂肪胺类固化剂和5wt％咪唑类固化促进剂，高转速下分散40min制成30wt％的有机载体。
56.在30wt％有机载体中加入振实密度1.5～5.5g/cm3，烧损率＜0.7％，比表面积0.8～2.5m2/g，最大片径《25微米片状银粉，使用双行星搅拌机预混合成浆，使用三辊研磨机研磨分散，最后减压脱泡即得银浆。
57.将所制得的银浆，使用手工印刷，印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯pet膜上，按照需求选择印刷网板，印刷完成后将印刷好的电极在预热的箱式烘箱中150℃热固化5分钟，制得银柔性生物电极。
58.将银柔性生物电极浸泡在5％氯化钠水溶液中，通电条件下水热30min制得银/氯化银柔性生物电极。
59.如图1和图2所示，说明成功合成了银/氯化银柔性生物电极，图3是实施例1制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图，从图中可以看出生成的白色氯化银颗粒分散在银电极表面，未形成明显团聚现象，说明通过该方法制备的银/氯化银柔性生物电极可以有效防止氯化银颗粒在银浆表面团聚。
60.实施例2
61.取60wt％聚氨酯加入到25wt％丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、二乙二醇丁醚乙酸酯混合溶剂中，使用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入10wt％间苯二胺固化剂和5wt％硅氧烷偶联剂，高转速下分散40min制成40wt％的有机载体。
62.在40wt％有机载体中加入振实密度1.5～5.5g/cm3，烧损率＜0.7％，比表面积0.8～2.5m2/g，最大片径《25微米片状银粉，使用双行星搅拌机预混合成浆，使用三辊研磨机研磨分散，最后减压脱泡即得银浆。
63.将所制得的银浆，使用手工印刷，印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯pet膜上，按照需
求选择印刷网板，印刷完成后将印刷好的电极在预热的箱式烘箱中80℃热固化30分钟，制得银柔性生物电极。
64.将银柔性生物电极浸泡在10％氯化钠水溶液中，通电条件下水热制得30min制得银/氯化银柔性生物电极。
65.如图4和图5所示，说明成功合成了银/氯化银柔性生物电极，图6是实施例2制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图从图中可以看出生成的白色氯化银颗粒分散在银电极表面，未形成明显团聚现象，说明通过该方法制备的银/氯化银柔性生物电极可以有效防止氯化银颗粒在银浆表面团聚。
66.实施例3
67.取50wt％氯醋树脂加入到35wt％丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、二乙二醇丁醚乙酸酯混合溶剂中，使用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入15wt％改性胺固化剂，高转速下分散40min制成50wt％的有机载体。
68.在50wt％有机载体中加入70wt％振实密度1.5～4.0g/cm3，烧损率＜0.7％，比表面积0.8～2.5m2/g，最大片径《25微米片状银粉和30wt％振实密度5.6g/cm3，烧损率0.9％，比表面积1.3m2/g，最大粒径《3微米球状银粉混合粉末，使用双行星搅拌机预混合成浆，使用三辊研磨机研磨分散，最后减压脱泡即得银浆。
69.将所制得的银浆，使用手工印刷，印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯pet膜上，按照需求选择印刷网板，印刷完成后将印刷好的电极在预热的箱式烘箱中120℃热固化10分钟，制得银柔性生物电极。
70.将银柔性生物电极浸泡在15％氯化钠水溶液中，通电条件下水热制得30min制得银/氯化银柔性生物电极。
71.如图7和图8所示，说明成功合成了银/氯化银柔性生物电极，图9是实施例3制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图，从图中可以看出生成的白色氯化银颗粒分散在银电极表面，未形成明显团聚现象，说明通过该方法制备的银/氯化银柔性生物电极可以有效防止氯化银颗粒在银浆表面团聚。
72.实施例4
73.取70wt％环氧树脂加入到15wt％丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、二乙二醇丁醚乙酸酯混合溶剂中，使用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入10wt％脂肪胺类固化剂和5wt％咪唑类固化促进剂，高转速下分散40min制成30wt％的有机载体。
74.在30wt％有机载体中加入振实密度1.5～5.5g/cm3，烧损率＜0.7％，比表面积0.8～2.5m2/g，最大片径《25微米片状银粉，使用双行星搅拌机预混合成浆，使用三辊研磨机研磨分散，最后减压脱泡即得银浆。
75.将所制得的银浆，使用手工印刷，印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯pet膜上，按照需求选择印刷网板，印刷完成后将印刷好的电极在预热的箱式烘箱中150℃热固化5分钟，制得银柔性生物电极。
76.将银柔性生物电极浸泡在15％氯化钾水溶液中，通电条件下水热20min制得银/氯化银柔性生物电极。
77.如图10和图11所示，说明成功合成了银/氯化银柔性生物电极，图12是实施例4制
得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图，从图中可以看出生成的白色氯化银颗粒分散在银电极表面，未形成明显团聚现象，说明通过该方法制备的银/氯化银柔性生物电极可以有效防止氯化银颗粒在银浆表面团聚。
78.实施例5
79.取70wt％环氧树脂加入到15wt％丁二酸二甲酯、戊二酸二甲酯、己二酸二甲酯、二乙二醇丁醚乙酸酯混合溶剂中，使用高速分散机搅拌，温度不超过70℃，待树脂溶解完全后降至室温，加入10wt％脂肪胺类固化剂和5wt％咪唑类固化促进剂，高转速下分散40min制成30wt％的有机载体。
80.在30wt％有机载体中加入振实密度1.5～5.5g/cm3，烧损率＜0.7％，比表面积0.8～2.5m2/g，最大片径《25微米片状银粉，使用双行星搅拌机预混合成浆，使用三辊研磨机研磨分散，最后减压脱泡即得银浆。
81.将所制得的银浆，使用手工印刷，印刷在聚对苯二甲酸乙二醇酯pet膜上，按照需求选择印刷网板，印刷完成后将印刷好的电极在预热的箱式烘箱中150℃热固化5分钟，制得银柔性生物电极。
82.将银柔性生物电极浸泡在5％氯化铵水溶液中，通电条件下水热40min制得银/氯化银柔性生物电极。
83.如图13和图14所示，说明成功合成了银/氯化银柔性生物电极，图15是实施例5制得的银/氯化银柔性生物电极的20um扫描电镜图，从图中可以看出生成的白色氯化银颗粒分散在银电极表面，未形成明显团聚现象，说明通过该方法制备的银/氯化银柔性生物电极可以有效防止氯化银颗粒在银浆表面团聚。
84.性能测试
85.将上述实施例制备的柔性生物电极进行性能测试，具体测试方法如下。
86.(1)印刷线宽形貌
87.通过350目网版，印刷网板选择蛇形0.6mm
×
1m导电线条。固化后冷至室温在三维轮廓仪中观察导电线条边缘是否平直，线宽宽度，计算判断是否发生扩边，即扩编率≤5％。
88.(2)电学性能测试
89.测试固化后蛇形线的电阻，使用fluke17b
+
万用表、膜厚仪对线宽0.6mm的银线进行电阻、膜厚的测试，通过电阻率计算公式得出浆料的电阻率，进一步计算出方阻。
90.(3)附着力测试
91.将3m600胶粘带粘着在已固化好的百格测试图形上，按垂直及平行线条方向各粘一条，用高级绘图橡皮用力擦平，放置1min后，用力垂直迅速拉脱(10cm/s)胶带，观察胶带和式样线条是否有粘浆料及膜层是否拉脱。
92.(4)电极自噪声测试
93.噪声测量在电极开路电位下进行，采用双电极体系，为减少外界干扰于屏蔽室中进行测试，检测其自噪声性能。
94.(5)电极电位稳定性测试
95.使用电化学工作站，在0.1mol/l的kcl溶液中对电极进行电极电位稳定性测试，检测其电位稳定性。
96.上述实施例1～3制备的电极材料性能测试结果如表1所示。
97.表1实施例1～3制备的柔性电极材料的性能指标
[0098][0099]
性能测试小结：
[0100]
由表1可得出如下结论：
[0101]
本发明所制备的柔性生物电极材料采用丝网印刷方式制备避免了传统繁琐制备工艺带来的弊端，同时先通过丝网印刷制备成银电极再将电极片浸入氯盐水溶液在通电条件下水热制备出银/氯化银电极，可以在合成过程中有效控制银/氯化银的比例，克服同时制备时氯化银颗粒在银粉表面团聚，造成导电性下降的缺点，且该电极材料印刷形貌优异、附着力好、方阻低、有良好的电信号测试性能，同时具有良好的稳定性，满足常规生物电信号测量要求。