CN102827509A - 一种纳米银导电墨水及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米银导电墨水，其重量百分比组成包括：表面包覆着有机保护剂的银颗粒5~50%，墨水溶剂40~85%，表面张力调节剂0.03~1%，增粘剂 0.3~5%，分散剂1~18%。其制备方法为：在墨水溶剂中，依次添加表面包覆着有机保护剂的银颗粒、表面张力调节剂、增粘剂，得到混合溶液；将混合溶液进行搅拌1~4小时，搅拌过程中再添加分散剂；将混合溶液超声振荡20~60分钟；利用200~500nm的有机滤膜进行过滤，即得到纳米银导电墨水。本发明的纳米银导电墨水不含有毒溶剂，制备过程绿色环保，可在较低的烧结温度下得到导电性能较好的导电电路，应用时柔性衬底的选择范围大。

Description

一种纳米银导电墨水及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电墨水，具体涉及一种可用于喷墨印刷柔性电子电路的纳米银导电墨水及其制备方法。

背景技术

柔性电子，又称印刷电子或有机电子，是将有机/无机电子器件沉积在柔性衬底如纸、塑料或织物等基底上形成电路的技术。由于柔性电子性能与传统微电子相当，且具有便携式、透明、轻质、伸展/弯曲以及易于快速大面积打印等特点，使一些无法用传统的电子电路实现的特殊应用成为可能，例如可弯曲的柔性显示器、电子纸、大面积传感器阵列、智能标签、薄膜太阳电池等。柔性电子制造的关键就是图案化导电电路的制造，而柔性电子理想的图案化工艺应满足：低成本、大面积、批量化工艺、低温、“加”式、非接触式、可实时调整、三维结构化、易于多层套准等要求。而目前常见的图案化技术如光刻、荫罩、微接触印刷、以及喷墨印刷等技术中，只有喷墨印刷技术能很好满足这些要求。此外，在计算机辅助控制条件下，喷墨打印技术更易实现图形在介观和微观级别上的设计与实施，可实现精确、定量、定位沉积，保证导电图案的成像精度。而且喷墨打印技术的工艺相对简单，不需要特别苛刻的环境要求，制作成本较低，减少对环境的污染和原材料的浪费。

利用喷墨打印技术制备导电电路的工艺中，关键技术之一是制备适合喷墨打印的导电墨水。适用于喷墨打印的导电墨水的性能指标主要包括：（1）可喷性：表现为墨水的颗粒尺寸、粘度和表面张力三个指标。一般而言，颗粒尺寸应小于1μm，粘度为5~35cP，表面张力为10~50mN/m。对于不同品牌压电式打印机，墨水的这几个指标也稍有不同。（2）可靠性：不阻塞喷头；墨水组分间以及墨水与喷头组件间有相容性；有贮存稳定性。（3）印刷图案质量：打印品质好；在打印介质上有着一定干燥速度、粘附性等。（4）安全性：要求导电墨水尽量能使用绿色溶剂，具有无毒性，不易燃、无气味。常见导电墨水可分为有机聚合物导电墨水和金属导电墨水，但一般有机聚合物导电墨水比金属导电墨水的导电率低三或四个数量级，而且价格昂贵，不大适用于普通大面积导电电路的制备。金属导电墨水常见的有金导电墨水、银导电墨水和铜导电墨水等几种。但由于银具有价格比金低廉许多，而化学性质比铜稳定等特点，综合考虑导电墨水的导电性能、生产成本时，银导电墨水具有较高的性价比。

利用喷墨打印技术制备导电电路的另一个关键技术是导电墨水喷墨打印出电路图案后的烧结过程的控制。一般来说，烧结温度越高，电路图案的电阻率越低，即导电性越好。在现有技术中，提高烧结温度可以得到较好的导电性，但是大部分的柔性衬底都无法承受200℃以上的温度，因此，现有的柔性电子在柔性衬底的选择上受到限制。如2012年3月28日公开的中国发明专利申请公布说明书CN102391716A公开了一种柔印纳米银导电墨水及其制备方法，当其烧结温度低于200℃时，其具有极高的方块电阻( >1000 kΩ/□)，进而限制了该墨水在需要较低温度烧结的柔性衬底上的应用，同时该墨水的制备采用甲苯等为溶剂，在实际生产中具有毒性和异样气味，不符合绿色墨水的要求；2010年8月18日公开的中国发明专利申请公布说明书CN101805538A公开了可低温烧结的导电墨水，当烧结温度在130℃时，其得到的银导线的电阻率为100μΩ·cm，约为块体银的电阻率的60多倍，较高的电阻率同样限制了其在柔性衬底上制备银导电电路的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种低温烧结功能好的纳米银导电墨水及其制备方法。该纳米银导电墨水不含有毒溶剂，制备过程绿色环保，可在较低的烧结温度下得到导电性能较好的导电电路，应用时柔性衬底的选择范围大。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种纳米银导电墨水，其特征在于，其重量百分比组成包括： 

      表面包覆着有机保护剂的银颗粒       5~50%，  

      墨水溶剂                           40~85%，

      表面张力调节剂                     0.03~1%，

      增粘剂                             0.3~5%，

      分散剂                             1~18%。

优选地，所述的银颗粒的粒径小于60nm。

优选地，所述的有机保护剂选自聚谷氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧丙烯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚中的一种或两种。

优选地，所述的墨水溶剂选自去离子水、无水乙醇、乙二醇中的一种或两种。

优选地，所述的表面张力调节剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或两种。

优选地，所述的增粘剂选自松油醇、尼龙酸甲酯中的一种。

优选地，所述的分散剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚酰胺、聚氨酯、明胶、阿拉伯树胶中的一种或两种。

所述的纳米银导电墨水的制备方法，包括以下步骤：

      1）在墨水溶剂中，依次添加表面包覆着有机保护剂的银颗粒、表面张力调节剂、增粘剂，得到混合溶液；

      2）将混合溶液进行搅拌1~4小时，搅拌过程中再添加分散剂；

      3）将混合溶液超声振荡20~60分钟；

      4）利用孔径范围为200~500nm的有机滤膜进行过滤，即得到纳米银导电墨水。

与现有技术相比，本发明的纳米银导电墨水不含有毒溶剂，稳定性能好，在空气环境中放置6个月，不会发生明显沉聚现象；该墨水制备过程绿色环保，在较低的烧结温度(80~150℃)下即可得到导电性能较好的导电电路，如在80℃的烧结温度下，银导电膜层的电阻率达到19.5μΩ·cm。这不仅克服了现有导电墨水喷墨成型后的烧结温度相对较高的问题，同时扩大了喷墨印刷柔性电子电路中的导电墨水应用的柔性衬底的选择范围。

附图说明

图1为利用本发明实施例1中纳米银导电墨水制备的线宽1pt的银导电线路的扫描电镜图；

        图2为本发明实施例1中表面包覆着有机保护剂的纳米银颗粒的差热-热重分析图；

        图3为本发明实施例1中表面包覆着有机保护剂的纳米银颗粒的透射电镜图；

        图4为本发明实施例2中表面包覆着有机保护剂的纳米银颗粒的粒径分析图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

      在由40 g去离子水和5 g乙醇组成的墨水溶剂中，依次添加表面包覆着聚谷氨酸的纳米银颗粒9g、聚乙烯吡咯烷酮0.04g、松油醇0.5g，得到混合溶液；然后将得到的溶液进行搅拌1小时，搅拌的同时添加10 g聚乙二醇；再进行超声振荡25分钟；再利用460 nm的有机滤膜进行过滤，最后得到的溶液即为纳米银导电墨水。

将上述制得的纳米银导电墨水应用到普通压电打印机，按照电脑上预制的电路图案，在照片纸上喷墨打印出银导电膜层，并在100℃下干燥1 h，利用四探针测试法结合扫描电镜测量膜层截面厚度，计算得出该银导电膜层的电阻率为17.5μΩ·cm。同时利用该纳米银导电墨水，制备线宽1pt的银导电线路，其扫描电镜图如图1所示。本实施例中表面包覆着有机保护剂的纳米银颗粒的差热-热重分析图如图2所示，其透射电镜图如图3所示。

实施例2

      在由80g去离子水和15g乙二醇组成的墨水溶剂中，依次添加表面包覆着聚丙烯酸的纳米银颗粒18g、十二烷基磺酸钠0.09g、松油醇0.5g，得到混合溶液；然后将得到的溶液进行搅拌2小时，搅拌的同时添加5g聚氨酯；再进行超声振荡30分钟；再利用360nm的有机滤膜进行过滤，最后得到的溶液即为纳米银导电墨水。本实施例中表面包覆着有机保护剂的纳米银颗粒的粒径分析图如图4所示。

将上述制得的纳米银导电墨水应用到普通压电打印机，按照电脑上预制的电路图案，在照片纸上喷墨打印出银导电膜层，并在125℃下干燥1h，利用四探针测试法结合扫描电镜测量膜层截面厚度，计算得出该银导电膜层的电阻率为16.0μΩ·cm。

实施例3

      在由30g去离子水和5g无水乙醇组成的墨水溶剂中，依次添加表面包覆着脂肪醇聚氧乙烯醚的纳米银颗粒6g、聚乙烯吡咯烷酮0.02g、松油醇0.5g，得到混合溶液；然后将得到的溶液进行搅拌3小时，搅拌的同时添加7g聚乙烯醇；再进行超声振荡20分钟；再利用250nm的有机滤膜进行过滤，最后得到的溶液即为纳米银导电墨水。

将上述制得的纳米银导电墨水应用到普通压电打印机，按照电脑上预制的电路图案，在照片纸上喷墨打印出银导电膜层，并在80℃下干燥1h，利用四探针测试法结合扫描电镜测量膜层截面厚度，计算得出该银导电膜层的电阻率为19.5μΩ·cm。

实施例4

      在由40g去离子水和3g乙醇组成的墨水溶剂中，依次添加表面包覆着聚氧丙烯的纳米银颗粒6g、聚丙烯酰胺0.03g、尼龙酸甲酯0.5g，得到混合溶液；然后将得到的溶液进行搅拌1.5小时，搅拌的同时添加5g明胶；再进行超声振荡30分钟；再利用480nm的有机滤膜进行过滤，最后得到的溶液即为纳米银导电墨水。

将上述制得的纳米银导电墨水应用到普通压电打印机，按照电脑上预制的电路图案，在照片纸上喷墨打印出银导电膜层，并在150℃下干燥1h，利用四探针测试法结合扫描电镜测量膜层截面厚度，计算得出该银导电膜层的电阻率为15.0μΩ·cm。

Claims (8)

1.一种纳米银导电墨水，其特征在于，其重量百分比组成包括： 

表面包覆着有机保护剂的银颗粒       5~50%，  

墨水溶剂                           40~85%，

表面张力调节剂                     0.03~1%，

增粘剂                             0.3~5%，

分散剂                             1~18%。

2.根据权利要求1所述的一种纳米银导电墨水，其特征在于：所述的银颗粒的粒径小于60nm。

3.根据权利要求1或2所述的一种纳米银导电墨水，其特征在于：所述的有机保护剂选自聚谷氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧丙烯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚中的一种或两种。

4.根据权利要求1或2所述的一种纳米银导电墨水，其特征在于：所述的墨水溶剂选自去离子水、无水乙醇、乙二醇中的一种或两种。

5.根据权利要求1或2所述的一种纳米银导电墨水，其特征在于：所述的表面张力调节剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或两种。

6.根据权利要求1或2所述的一种纳米银导电墨水，其特征在于：所述的增粘剂选自松油醇、尼龙酸甲酯中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的一种纳米银导电墨水，其特征在于：所述的分散剂选自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚酰胺、聚氨酯、明胶、阿拉伯树胶中的一种或两种。

8.一种制备权利要求1或2所述的纳米银导电墨水的方法，其特征在于包括以下步骤： 

1）在墨水溶剂中，依次添加表面包覆着有机保护剂的银颗粒、表面张力调节剂、增粘剂，得到混合溶液；

2）将混合溶液进行搅拌1~4小时，搅拌过程中再添加分散剂；

3）将混合溶液超声振荡20~60分钟；

4）利用200~500nm的有机滤膜进行过滤，即得到纳米银导电墨水。

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