控制PDMS在布料上的渗透宽度

为了保证液态金属的打印质量，可选用表15.2中1号布料作为打印基底。但在电路封装阶段，使用固化剂和基液以体积比1∶10新鲜配制的PDMS封装电路时，会出现明显的PDMS在布料上铺展和渗透的毛细现象［3］。

这种PDMS在布料基底上铺展和渗透的毛细现象，会导致织物电路封装的外轮廓无法有效确定。使用厚度为2 mm、镂空形状为47 mm×47 mm的正方形平板进行PDMS灌注。灌注完成后将其立即置于90℃的恒温箱中烘烤30 min，使PDMS固化。去除镂空平板后，PDMS在布料上的渗透情况如图15.6所示。从图中可以看出，PDMS在布料左右方向的渗透宽度均为13 mm，而在布料上下方向的渗透宽度为9 mm，即横向的渗透宽度要稍大于纵向的渗透宽度。可以粗略判断，这种纵横方向不一致的渗透宽度是由布料编织纵横纹理的不同所导致的。取纵横方向渗透宽度的均值作为PDMS在布料上渗透的平均宽度，则新鲜配制的PDMS在布料上渗透的平均宽度高达11 mm，以致预先设计的47 mm×47 mm的封装外轮廓无法有效确定。此外，这种PDMS在布料上的严重渗透，对织物本身的舒适度及美观程度也都有较大影响，因此需要进一步探讨解决。

PDMS在布料上的渗透是发生于其从灌注在布料基底上到完全固化的这段时间。因此，要控制PDMS在布料上的渗透宽度，可通过减小PDMS在布料上的渗透速度或减小PDMS的固化时间来实现。

图15.6　新鲜配制的PDMS在布料上的渗透情况［3］

已知PDMS可以在-45～200℃的温度范围内长时间保持稳定性。但是由于在这个温度范围的两端，材料的性能会比较复杂，需要特定环境的测试和验证，因此这里只讨论中间温度段PDMS的固化情况及其性能。PDMS可以在室温下固化，也可以在高温下固化，随着温度的升高，固化时间会明显缩短。从阶段上来讲，PDMS的固化过程是从基液和固化剂混合的时候开始的，一开始的固化现象只是混合液体的黏度逐步增加，接着开始有凝胶的出现，最后完全转变成固体弹性体。就固化过程的液态阶段而言，PDMS的适用期是在基液和固化剂混合后，到液体黏度增至原来的两倍的时间范围。根据文献所提供的数据［5］，新鲜配制的PDMS的动力黏度为4575mPa·s。

增大PDMS在混合液体阶段的黏度，可以减缓它在布料上的渗透速率，因此可尝试在混合两种液体配置PDMS后，静置一段时间，待其黏度增加后再进行灌注封装。(www.xing528.com)

通过对新鲜配制的PDMS静置，可以发现［3］：当环境温度为60℃时，PDMS处于混合液体阶段的时间约为1h左右；而当环境温度为室温27℃时，PDMS处于混合液体阶段的时间约为7h左右。如图15.7所示，PDMS（美国道康宁Sylgard 184，美国迈图RTV615）在混合液体阶段的动力黏度是一个随时间变化的非线性函数。在环境温度为60℃的条件下，液体在静置7 min之后就已超出了适用期范围，而且在接下来几十分钟时间范围内，液滴动力黏度的增长趋势非常快，很难有效控制混合液体的黏稠度。因此，可选择在室温27℃的环境下对新鲜配制的PDMS进行静置，从而保证一个较宽裕的时间范围来选择合适黏度的PDMS进行封装。当然，选择更低的温度条件也是可以的，但为了保证实验操作方便以及提升实验效率，这里直接选用了室温条件进行PDMS静置。

图15.7　PDMS在不同温度条件下动力黏度与静置时间的关系［6］

为了定量研究不同黏稠度的PDMS在布料上的渗透情况，如下以1h为时间间隔，在室温条件下依次测试了静置0～6h的PDMS在布料上渗透情况［3］。PDMS灌注时使用的平板依然是厚度为2 mm、镂空形状为47 mm×47 mm的正方形平板，灌注完成后立即移入90℃的恒温箱中烘烤0.5 h。如图15.8a所示，静置了1h、3h、5h和6h的PDMS在布料上灌注封装后，在布料的横、纵渗透宽度上都有明显的差异。随着静置时间的延长，PDMS在布料上的横、纵渗透宽度都有显著减小。图15.8b统计了PDMS的静置时间与在布料上渗透的平均宽度之间的关系。如果想要较好地控制PDMS封装的外轮廓，从渗透宽度的角度而言，使用静置6h的PDMS是一个比较好的选择，其平均渗透宽度只有1.25 mm。但是，静止时间更长的PDMS并没有出现在图15.8的测试结果中。这是因为在室温27℃条件下，静置6.5 h的PDMS已经由于黏稠度太高而不能在灌注的布料上形成一个平整的表面，而且在实际的电路封装过程中也容易造成布料上分布好的电子元器件的位置移动。

图15.8　封装材料PDMS在织物上的渗透情况［3］

a.静置不同时间的PDMS在布料上渗透情况的实物；b.静置不同时间的PDMS在布料上渗透情况的统计。