CN103073953A - 一种水性导电油墨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水性导电油墨，包括以下组分且各组分的质量百分含量分别为：高分子乳液或分散液1%-40%；分散剂0.1%-0.7%；润湿剂0.1%-3.0%；消泡剂0.2%-1.8%；导电材料30%-70%；成膜助剂0.5%-3%；水5%-60%。本发明克服了溶剂型油墨有毒、有害、易燃、易爆的弊端，无毒无味，安全环保，使用方便，节省资源，油墨的成膜性和印刷性能良好、附着力强、耐候性好，以水代替有机溶剂降低了挥发性有机化合物(VOC)，也降低了生产成本。

Description

一种水性导电油墨及其制备方法
 
技术领域
本发明涉及一种低成本导电油墨，特别涉及一种低成本、低VOC、无溶剂、无铅无卤素、绿色环保的水性导电油墨及其制备方法，属于电子化学品技术领域。
背景技术
导电油墨(主要是指混合型导电复合油墨)是借助分散在油墨载体内的导电性材料来传导电流。溶剂型油墨已经问世近一个世纪，传统溶剂型油墨所用的溶剂为挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, 简称VOC)，在大气的污染源中占有很大的比重。而且，长期使用溶剂型油墨既危害操作工人和用户的身体健康, 又造成大量的环境污染，还常常引起中毒、爆炸等事故，成为导电油墨用户、企业的重点安全隐患之一。例如，中国专利申请201010148263.9公开了一种低温烧结的溶剂型纳米银导电油墨及其制备方法，其纳米银粉制备后需要用乙醇、四氢呋喃、异丙醇、丙酮、甲基乙基酮等有机溶剂分散，溶剂质量比达50%以上，VOC值往往高达或超过约500 g/L。事实上，由于导电油墨往往需要采用热塑型混合物配合有机溶剂作为有机载体和粘合剂，使导电油墨VOC数值较高成为一个普遍问题，例如，市场上某公司生产的三款通用导电油墨，其VOC值分别达到177 g/L，816 g/L和745 g/L。
随着印刷电子学和微电子工业的发展，环境保护问题越来越受到人们的重视，开发一类低成本、绿色环保导电油墨的需要也越来越迫切。以水代替有机溶剂，安全无毒，有着天然的环保优势和成本优势。针对溶剂型油墨毒性大、成本高等问题，中国专利申请200610019148.5公开了一种水性导电油墨及其制备方法，其水性导电油墨含有30~50 ％水性高分子树脂、15~25％导电颜料乙炔碳墨、12~20％的水、8~12％的乙醇、3~8％的乙二醇丁醚、4~9％硅烷表面处理剂、2~5％的防静电剂和1~3％助剂。但是，该发明公开的产品中仍然含有10~20%的乙二醇丁醚等有机溶剂，其VOC值高达约100~200 g/L。而且，该发明采用15~25％导电颜料乙炔碳墨作为导电填料，导电涂料的导电性能有限，其体积电阻1×10-2~1×10-3 Ω·cm。中国专利申请201110338394.8公开了一种碳系水性导电油墨，其主要组分是水，水溶性树脂，水溶性蜡，微米鳞片石墨，纳米导电炭黑以及分散剂、增稠剂、消泡剂等助剂。该碳系水性导电油墨由于仅采用碳系填料(微米鳞片石墨，纳米导电炭黑)，石墨单晶因晶体结构中存在大量离域电子，石墨可以导电。但是石墨粒径较大，而且由于石墨的取向，其与晶体层平行的方向电阻率为(2.5～5.0)×10-6 Ω·m，与层垂直的方向电阻率为3×10-3 Ω·m，在电性能方面也存在着明显的各向异性，制成的导电油墨导电性能不佳，无法满足对导电性能要求较高的需要。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低成本、低VOC、无溶剂、无铅无卤素的可印刷低成本绿色环保水性导电油墨及其制备方法。
为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：
一种水性导电油墨，其特征在于，包括以下组分且各组分的质量百分含量分别为：
高分子乳液或分散液   1%-40%；
纤维素               0.1%-1.0%；
分散剂               0.1%-0.7%；
润湿剂               0.1%-3.0%；
杀菌剂               0.1%-0.5%；
消泡剂               0.2%-1.8%；
导电材料             30%-70%；
成膜助剂             0.5%-3%；
增稠剂               0.1%-1.5%；
水                   5%-60%。
进一步，所述的水性导电油墨还包括纤维素和抗氧化剂，所述的纤维素和杀菌剂的质量百分含量分别为0.1%-1.0%和0.1%-0.5%。
还可进一步包括增稠剂，所述的增稠剂的质量百分含量为0.1%-1.5%。
进一步，所述的高分子乳液为丙烯酸类合成乳液、水性聚氨酯类合成乳液、水性环氧树脂、水性醇酸树脂、水性氟碳乳液、改性合成乳液、天然高分子、水溶性高分子中的至少一种。
其中，所述的丙烯酸类合成乳液为苯丙烯酸合成乳液、纯丙烯酸合成乳液，醋丙烯酸合成乳液、硅丙烯酸合成乳液中的至少一种。
所述的天然高分子为纤维素、淀粉、阿拉伯胶、黄原胶、瓜尔豆胶中的至少一种。
而所述的水溶性高分子为聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)、水解聚丙烯酰胺(HPAM))、聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 、聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)中的至少一种。
更进一步，所述的导电材料为金属材料、复合导电材料、氧化物、导电高分子、碳或石墨材料中的至少一种。
其中，所述的金属材料为金、钯、铂、银、铜、镍、镁、铝、锰、钴、锌、铁、钛、钨、锡、钼中的任一种。
所述的金属材料的形态为金属颗粒、金属粉末、金属片或金属纤维中的任一种。
当金属材料的形态为金属颗粒时，所述的金属颗粒的粒径为0.001-1000微米。
而当金属材料的形态为金属纤维时，所述的金属纤维的长度为0.005 -2000微米，直径0.001-1000微米。
当然，所述的碳或石墨材料为碳或石墨微纳米颗粒或碳或石墨微纳米纤维，所述的碳或石墨微纳米颗粒的粒径为0.001微米-10毫米。
其中，所述的碳或石墨材料为纳米石墨球、石墨烯、纳米石墨片、碳纤维、碳纳米管、导电炭黑中的至少一种。
此外，所述的复合导电材料为复合导电颗粒或复合导电纤维。
其中，所述的复合导电材料为具有核壳结构的双金属粉末、双金属片、双金属纤维、镀金属玻璃球、镀金属玻璃纤维、镀金属陶瓷粉末、镀金属陶瓷纤维、镀金属碳纤维、镀金属导电炭黑、镀金属石墨微纳米结构、镀金属的氧化物粉末、镀金属的氧化物纤维中的至少一种。
一种水性导电油墨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）称取原料：按照权利要求1所述的水性导电油墨的组分和各组分的质量百分含量称取各组分；
（2）分散：将步骤（1）称取的水加入到搅拌缸中，然后在400-600转/分钟的搅拌转速下向搅拌缸中加入分散剂、润湿剂、纤维素、消泡剂和导电材料，然后再在800-3000转/分钟速度下分散5-120分钟，至细度小于15微米；
（3）制备水性导电油墨：在300-500转/分钟的转速下向分散好的材料中继续加入高分子乳液或分散液、成膜助剂、增稠剂、杀菌剂，搅拌5-120分钟至均匀，即制得水性导电油墨。
本发明的有益效果是：
本发明通过采用特定比例的金属材料、复合导电材料、氧化物、导电高分子、碳或石墨材料中的至少一种作为导电相，以水性高分子乳液或者分散液作为有机载体，达到了降低导电油墨成本、提高油墨机械性能、改善导电油墨的电学性能和电磁学性能，绿色环保、无铅无卤素的效果，符合欧盟RoHS指令，符合IEC无卤素标准，解决了油墨施工中毒性气体挥发带来的劳动保护和环境污染问题，赋予导电油墨易于施工、绿色环保等功能；油墨导电相采用不同形态的廉价金属、复合导电材料等代替常用的银粉，对于改善油墨导电特性，降低导电油墨产品成本的具有重大意义。同时，水性导电油墨中添加其它助剂成分以保持油墨的流变特性、导电性、耐磨性、涂布和印刷功能，该水性导电油墨导电性能良好，与基材结合力强，印制品耐环境、耐摩擦、耐久性能良好。
该导电油墨可以采用涂刷、丝网印刷、凹版印刷、喷涂、移印、胶印等工艺在各类纸张、玻璃、陶瓷、金属、橡胶、塑料薄膜表面印刷，广泛用于制造薄膜开关、透明导电膜、触摸屏、液晶显示器、等离子体显示器、可挠性线路板和电路板、薄膜键盘、电磁屏蔽、柔性导电排线、可弯折柔性电子产品、化学和生物传感器、电子皮肤、印刷电池、太阳能光伏电池板、电致发光(EL)冷光源、有机发光二极管(OLED)、柔性显示器件、射频识别标签(RFID)等产品中。   
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行具体的介绍。
本发明采用以刮板细度仪测定油墨细度。导电油墨的VOC (g/L)采用气相色谱法测定。分别将以上所得的导电油墨均匀涂在模具上，干燥至电阻值不再变化为止。导电油墨的表干时间采用棉球法测试，实干时间采用刀片法测试。
采用台阶厚度测量仪测定导电油墨涂层厚度。采用铅笔硬度计测试导电油墨涂膜的硬度。采用电阻仪测试导电油墨涂层电阻, 由下式计算电阻率:
ρ=RS/L
式中，R为涂层电阻值( Ω )；S为涂层截面积(m2)；L为涂层长度(m)。
实施例1：
组分 实施例1
高分子乳液或分散液 水性纯丙烯酸乳液10%
纤维素 羟丙基纤维素0.68%
分散剂 阴离子型聚丙烯酸铵盐0.55%
润湿剂 阴离子水溶性共聚物0.33%
杀菌剂 广谱杀菌剂(不含甲醛)0.28%
消泡剂 0.35%
导电材料 球状铜粉56%
成膜助剂 (十二醇酯)1%
增稠剂 0.81%
水 30%
按照表1中各组分的质量百分含量称取各组分原料，将水加入到搅拌缸中，然后在500转/分钟的搅拌转速下向搅拌缸中加入分散剂、润湿剂、纤维素、消泡剂和球状铜粉，然后再在1500转/分钟速度下分散60分钟，至细度小于15微米。在300转/分钟的转速下向分散好的材料中继续加入水性纯丙烯酸乳液、十二醇酯成膜助剂、增稠剂、杀菌剂，搅拌20分钟至均匀，即制得水性导电油墨。
实施例1制备得到的水性导电油墨（具体为铜粉丙烯酸环保导电油墨）的技术指标如表1所示：
表1：铜粉丙烯酸环保导电油墨技术指标
指标参数 数值
细度 (μm) 15
涂层厚度 (μm) 8.5
硬度 2H
导电介质 球状铜粉
电阻率 (Ω·cm) <8×10-4
表面干燥/不粘时间 (小时) 1-2
实干时间 (小时) 5
温度范围 (℃) -50-+150
VOC (g/L) 11
存储温度 (℃) +5-+25
实施例1制备得到的水性导电油墨成本低，印刷性能良好，电阻率低，小于<5×10-4 Ω·cm；不含有机溶剂，VOC仅为11 g/L，大大低于市场上广泛使用的、VOC值高达100 g/L以上的同类导电油墨。
实施例2：
组分 实施例2
高分子乳液或分散液 水性苯丙烯酸乳液12%
纤维素 羟乙基纤维素0.55%
分散剂 阴离子型聚丙烯酸铵盐0.7%
润湿剂 阴离子水溶性共聚物0.31%
杀菌剂 广谱杀菌剂(不含甲醛)0.3%
消泡剂 0.20%
导电材料 球状银包铜粉55%
成膜助剂 （十二醇酯）0.9%
增稠剂 0.35%
水 29.69%
按照实施例1所述的制备方法分散各组分得到水性导电油墨。实施例2制备得到的水性导电油墨（具体为低成本银包铜粉丙烯酸环保导电油墨）的技术指标如表2所示：
表2：低成本银包铜粉丙烯酸环保导电油墨技术指标
指标参数 数值
细度 (μm) 10
涂层厚度 (μm) 7.5
硬度 2H
导电介质 球状银包铜粉
电阻率(Ω·cm) <5×10-4
表面干燥/不粘时间(小时) 1-2
实干时间(小时) 7
VOC(g/L) 10
温度范围(℃) -50-+150
存储温度(℃) +5-+25
实施例2制备得到的水性导电油墨由于采用了银包铜粉，导电率更好，同时导电涂料的抗氧化性得到了改善。
实施例3：
组分 实施例3
高分子乳液或分散液 聚乙烯醇(PVA)水溶液23%
分散剂 0.40%
润湿剂 1.20%
消泡剂 0.30%
导电材料 片状镀银镍粉58%
成膜助剂 (硼酸)0.7%
增稠剂 1.30%
水 15.10%
按照实施例1所述的制备方法分散各组分得到水性导电油墨。其中，硼酸作为交联剂。
实施例3制备得到的水性导电油墨（具体为低成本片状镀银镍粉PVA基环保导电油墨的技术指标如表3所示：
表3：低成本片状镀银镍粉PVA基环保导电油墨技术指标
指标参数 数值
细度 (μm) 12.5
涂层厚度 (μm) 12
硬度 1H
导电介质 片状镀银镍粉
电阻率(Ω·cm) <3×10-4
表面干燥/不粘时间(小时) 1-2
实干时间(小时) 9
VOC(g/L) 5
温度范围(℃) -50-+150
存储温度(℃) +5-+25
实施例3制备得到的水性导电油墨由于采用PVA作为有机载体，可以用硼砂等作为交联剂，成本较低；由于避免采用了可能含有VOC的合成树脂作为原材料，得到的导电涂料VOC更低。仅为5 g/L。同时，采用片状导电介质，对于提高导电率、改善机械性能具有重要意义。
实施例4：
组分 实施例4
高分子乳液或分散液 水性聚氨酯树脂20%
分散剂 0.30%
润湿剂 1.60%
消泡剂 1%
导电材料 镀镍玻璃纤维56%
中和剂 1.1%
水 20%
   
按照实施例1所述的制备方法分散各组分得到水性导电油墨。
实施例4制备得到的水性导电油墨（具体为低成本镀镍玻璃纤维环保导电油墨）的技术指标如4所示：
表4：低成本镀镍玻璃纤维环保导电油墨技术指标
指标参数 数值
细度 (μm) 20~30 μm
涂层厚度 (μm) 50
硬度 3H
导电介质 镀镍玻璃纤维
电阻率(Ω·cm) <2×10-4
表面干燥/不粘时间(小时) 3-4
实干时间(小时) 24
VOC(g/L) 35
温度范围(℃) -50-+150
存储温度(℃) +5-+25
实施例3制备得到的水性导电油墨由于采用聚氨酯作为有机载体，流变特性优异可调，导电油墨印刷性能得到很大改善。由于采用了镀镍玻璃纤维作为导电介质，导电纤维可以形成互穿的导电网络，赋予了导电涂料优异的电磁性能，增强了导电涂料成膜后的机械特性。
本发明按照上述实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种水性导电油墨，其特征在于，包括以下组分且各组分的质量百分含量分别为：
高分子乳液或分散液   1%-40%；
纤维素               0.1%-1.0%；
分散剂               0.1%-0.7%；
润湿剂               0.1%-3.0%；
杀菌剂               0.1%-0.5%；
消泡剂               0.2%-1.8%；
导电材料             30%-70%；
成膜助剂             0.5%-3%；
水                   5%-60%。
2.根据权利要求1所述的一种水性导电油墨，其特征在于，还包括纤维素和杀菌剂，所述的纤维素和杀菌剂的质量百分含量分别为0.1%-1.0%和0.1%-0.5%。
3.根据权利要求1或2所述的一种水性导电油墨，其特征在于，还包括增稠剂，所述的增稠剂的质量百分含量为0.1%-1.5%。
4.根据权利要求1所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的高分子乳液为丙烯酸类合成乳液、水性聚氨酯类合成乳液、水性环氧树脂、水性醇酸树脂、水性氟碳乳液、改性合成乳液、天然高分子、水溶性高分子中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的丙烯酸类合成乳液为苯丙烯酸合成乳液、纯丙烯酸合成乳液，醋丙烯酸合成乳液、硅丙烯酸合成乳液中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的天然高分子为纤维素、淀粉、阿拉伯胶、黄原胶、瓜尔豆胶中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的水溶性高分子为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、水解聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚氧化乙烯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的导电材料为金属材料、复合导电材料、氧化物、导电高分子、碳或石墨材料中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的金属材料为金、钯、铂、银、铜、镍、镁、铝、锰、钴、锌、铁、钛、钨、锡、钼中的任一种。
10.根据权利要求8所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的金属材料的形态为金属颗粒、金属粉末、金属片或金属纤维中的任一种。
11.根据权利要求10所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的金属颗粒的粒径为0.001-1000微米。
12.根据权利要求10所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的金属纤维的长度为0.005-2000微米，直径0.001-1000微米。
13.根据权利要求8所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的碳或石墨材料为碳或石墨微纳米颗粒或碳或石墨微纳米纤维，所述的碳或石墨微纳米颗粒的粒径为0.001微米-10毫米。
14.根据权利要求8或13所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的碳或石墨材料为纳米石墨球、石墨烯、纳米石墨片、碳纤维、碳纳米管、导电炭黑中的至少一种。
15.根据权利要求8所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的复合导电材料为复合导电颗粒或复合导电纤维。
16.根据权利要求8或15所述的一种水性导电油墨，其特征在于，所述的复合导电材料为具有核壳结构的双金属粉末、双金属片、双金属纤维、镀金属玻璃球、镀金属玻璃纤维、镀金属陶瓷粉末、镀金属陶瓷纤维、镀金属碳纤维、镀金属导电炭黑、镀金属石墨微纳米结构、镀金属的氧化物粉末、镀金属的氧化物纤维中的至少一种。
17.一种水性导电油墨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）称取原料：按照权利要求1所述的水性导电油墨的组分和各组分的质量百分含量称取各组分；
（2）分散：将步骤（1）称取的水加入到搅拌缸中，然后在400-600转/分钟的搅拌转速下向搅拌缸中加入分散剂、润湿剂、纤维素、消泡剂和导电材料，然后再在800-3000转/分钟速度下分散5-120分钟，至细度小于15微米；
（3）制备水性导电油墨：在300-500转/分钟的转速下向分散好的材料中继续加入高分子乳液或分散液、成膜助剂或交联剂或中和剂、增稠剂、杀菌剂，搅拌5-120分钟至均匀，即制得水性导电油墨。
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