Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
本研究提出了一种可持续的、生物基的苯并噁嗪各向异性导电胶，其在实现与商业环氧体系相当的电学性能和可靠性的同时，还具有更低的固化温度、更低的毒性和更低的全球变暖潜势。
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现代电子产品依赖于微小且肉眼不可见的桥梁，来连接使我们的设备正常运转的各个组件。在印刷电路的世界里，当精密的传感器和芯片被安装到柔性的塑料片甚至纸张上时，这些桥梁通常由一种被称为导电胶的特殊胶水制成。这种胶水必须同时完成两件困难的事情：它必须将部件牢固地固定在原位，并且必须允许电流沿特定方向流动以完成电路。几十年来，该行业一直依赖于基于环氧树脂（一种常见的塑料树脂）的胶水。虽然有效，但这些传统胶水也有其阴暗面。它们通常需要有毒化学物质来制造，可能会导致处理它们的工人生发生过敏反应，并且必须储存在冷冻库中以防止过早硬化。此外，它们通常含有对环境有害的金属填料。随着对绿色技术需求的增长，科学家们正在寻找一种更安全、更易于使用且源自自然而非石油的粘合剂。
瑞典RISE研究机构和奥地利Joanneum研究机构的一个研究小组开发了一种新型导电胶，解决了这些问题。他们没有使用环氧树脂，而是转向了一类可以由生物基来源制成的材料——苯并噁嗪。具体而言，他们创建了一种混合物，使用一种源自二酚酸（一种存在于木材工业废料中的物质）的分子与一种长链胺相结合。这种组合创造出一种硬化温度比传统苯并噁嗪低得多的粘合剂，使其能够安全地用于现代电子产品中使用的薄塑料薄膜等热敏感材料。为了使胶水具有导电性，研究人员加入了微小的金属球。在测试了包括锌和铁在内的几种方案后，他们发现铜球的效果最好。最终的混合物（含百分之三十五的铜重量比）形成了一种能够让电流在层与层之间垂直流动，同时阻止其向侧面扩散的结合，这是防止微型电子元件发生短路的至关重要的特性。
研究人员对这种新粘合剂进行了一系列严格测试，以观察它是否可以取代目前的行业标准。他们将微型计算机芯片安装在纸张和一种被称为Kapton的耐用塑料薄膜上，并使用加热工具将组件压入到位。这种胶水的表现非常出色，它创建的电气连接与使用领先的商业环氧树脂产品所制造的连接一样强劲且具有导电性。事实上，这种新胶水将组件固定得如此牢固，以至于当他们试图将芯片拉开时，纸质基底本身先于胶水失效而撕裂。这证明了该结合不仅在电气性能上可靠，而且在机械强度上也十分稳固。团队还将涂胶后的组件置于严苛条件下，包括高温和高湿，以及旨在通过几周时间模拟数年磨损与损耗的快速温度变化。粘合剂在整个过程中保持稳定，没有出现降解或失去电气连接的迹象。
除了性能之外，该研究还考察了生产这种新材料的环境成本。通过将这种新型生物基胶水与一种商业镍基粘合剂进行比较，研究人员计算了其制造过程中排放的二氧化碳量。生物基版本产生的二氧化碳显著减少，其足迹为每公斤胶水5.48千克，而商业替代品为每公斤胶水6.27千克。研究表明，如果制造过程实现无溶剂化，并且所使用的铜源自回收材料，那么这种环境优势可能会更加显著。这项工作证实，无需依赖有毒的环氧树脂或对环境有害的金属，也可以创造出高性能的电子粘合剂。通过证明生物基、低温度的胶水可以达到目前商业产品的可靠性，这项研究为组装驱动我们日常生活的电子设备的更可持续的未来开辟了一条道路。
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