CN105340370A - 制备导电金属层或图案的方法 - Google Patents
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Abstract
制备导电金属层或图案的方法,其包括以下步骤:施用金属纳米粒子分散体在载体上以得到金属层或图案;使所述金属层或图案与含有酸或能够在所述金属层或图案的固化期间释放所述酸的酸前体的溶液接触。已经观察到,通过使所述金属层或图案与含有酸或能够释放所述酸的酸前体接触,在温和的固化条件下得到较高的导电率。
Description
描述。
发明领域
本发明涉及在温和的固化条件下由金属纳米粒子分散体制备高导电的图案或涂层的方法。
发明背景
在近几十年期间,对含有金属纳米粒子的印刷或涂覆流体的关注由于这类金属纳米粒子在与给定金属的本体性质相比较时的独特性质而增加。例如,金属纳米粒子的熔点随着粒度减小而减小,这使得它们在印刷电子、电化学、光学、磁和生物应用中受到关注。
生产可例如通过喷墨印刷或丝网印刷而印刷或以高速涂覆的稳定且浓缩的金属印刷或涂覆流体由于其能够以低成本制备电子器件而具有重大意义备受关注。
通常,金属纳米粒子通过如在Mat. Chem. Phys. 114, 549-555中公开的多元醇合成方法、通过多元醇合成方法的派生方案或通过在各种还原剂存在下原位还原金属盐来制备。这类方法公开在例如US2010143591、US2009142482、US20060264518和US20080220155、EP2147733、EP2139007、EP803551、EP2012952、EP2030706、EP1683592、EP166617、EP2119747、EP2087490和EP2010314、WO2008/151066、WO2006/076603、WO2009/152388和WO2009/157393中。
在这类多元醇合成中,常使用所谓的封端剂来使金属前体或金属纳米粒子稳定化。这类封端剂通常含有例如硫醇(-SH)、羧基(-COOH)或胺(-NH)基团的官能团。US8197717例如公开了包含通过多元醇合成制造的金属纳米粒子的金属油墨,其中纳米粒子通过例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的封端物质封端。
在将金属印刷或涂覆流体施用在基材上之后,在高温下进行烧结步骤,也称作固化步骤,从而诱发/增强这些层的施用图案的导电性。金属印刷或涂覆流体的有机组分如聚合分散剂或封端剂可降低烧结效率且因此降低各层的施用图案的导电率。为此,常需要较高的烧结温度和较久的烧结时间来分解有机组分。
这类高烧结温度与具有相对较低的玻璃化转变温度的例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚碳酸酯的常见聚合物箔片不相容。因此,有兴趣降低得到导电层或图案所必须的烧结温度。
EP-A
2468827公开了聚合分散剂,如通过热重分析所测量,其在低于300℃的温度下具有95重量%的分解度。通过使用包含这类聚合分散剂的金属印刷或涂覆流体,可降低烧结温度和时间。在均于2011年12月21日提交的EP-A 11194791.7和EP-A
11194790.9中,所谓的烧结添加剂与EP-A 2468827的聚合分散剂组合使用以进一步降低烧结温度。烧结添加剂(即,特定羧酸或磺酸)的量基于分散体的总重量计大于2重量%。
2012年6月5日提交的EP-A 12170774.9公开了包含分散介质的金属纳米粒子分散体,其特征在于所述分散介质包含例如2-吡咯烷酮的特定溶剂。在使用这类溶剂作为分散介质时,不需要聚合分散剂来得到稳定的金属纳米粒子分散体。
然而,仍然需要进一步降低金属涂层和图案的固化时间和温度。例如,出于稳定性的原因,可能有利的是使用如下方法,其中增强固化效率的化合物不存在于金属纳米粒子分散体中,而是临固化步骤前与金属层或图案接触。
发明概述
本发明的一个目的在于提供在温和的固化条件下由金属纳米粒子分散体制备高导电的涂层或图案的方法。
该目的通过权利要求1和6限定的方法实现。两种方法都可被视为特定问题即增加金属层或图案的导电率的供选方案。
已经发现,使金属层或图案与含有酸或能够在固化期间释放酸的酸前体的溶液接触引起金属层或图案的导电率明显增加。
本发明的另外优势和实施方案从以下描述和从属权利要求中将变得明显。
发明详述
根据本发明的第一实施方案制备导电金属层或图案的方法包括以下步骤:
- 施用金属纳米粒子分散体在载体上以得到金属层或图案,
- 使所述金属层或图案与含有酸或能够在金属层或图案的固化期间释放酸的酸前体的溶液接触。
优选所述方法还包括在使金属层或图案与含有酸或前体的溶液接触之后的固化步骤。
所述金属层或图案可通过将金属层或图案浸泡在含有酸或酸前体的溶液中或通过涂覆含有酸或前体的溶液在金属层或图案上而与含有酸或酸前体的溶液接触。
所述含有酸或酸前体的溶液可为水溶液或非水溶液,优选水溶液。所述溶液的浓度可为0.1-50.0重量%,优选为0.5-25重量%,更优选为1.0-10.0重量%。
将金属层或图案浸泡在含有酸或酸前体的溶液中,这可在含有溶液的槽中进行。这可手动地进行或者所述金属层可通过传送设备传送经过所述溶液。
浸泡可在室温下进行。可以改变浸泡时间以得到作为溶液浓度的函数的最佳结果。已经观察到,非常短的浸泡时间(即,数秒)可能已经改善了固化效率,且因此改善了导电率。
在一个优选的实施方案中,所述图案的金属层在例如30-90℃、更优选40-80℃的较高温度下浸渍在含有酸的溶液中。已经观察到,在较高温度下浸渍产生金属层或图案的高导电率,而无需另外的固化或退火步骤。无需另外的固化步骤的事实毫无疑问是一个优势。
所使用的酸优选为无机酸。无机酸(也称作矿物酸)为衍生自一种或多种无机化合物的酸。优选所述无机酸具有低于4.5、更优选低于3的pKa。
可使用的无机酸例如为HCl、HBr、HI、HF、H2SO4、H3PO4、HPO3、H3PO2、H4P2O7、HNO3、H3BO3、HClO4、HClO3S、H2FO3P、HPF6、H2SeO3、H3NO3S、H2SO3和HBF4。
优选的无机酸为卤化氢物,其中X为F、Br、Cl或I;H2SO4、H3PO4 、H3PO2和HNO3。特别优选的无机酸为HCl和HBr。
代替上述酸或除了上述酸之外,可使用能够在固化由分散体形成的金属层或图案期间产生酸的酸前体。
所述前体优选产生卤化氢HX,其中X为F、Br、Cl或I,更优选为HCl或HBr。
可在本发明中使用的酸前体的一些实例在表1中列出。
表1
为了对固化效率具有足够的影响,所述无机酸必须至少部分地在其中进行固化的时间和温度窗内产生。
所述固化时间优选小于60分钟,更优选小于30分钟,最优选小于15分钟。所述固化温度优选低于250℃,更优选低于200℃,最优选低于160℃。
所述酸前体的最佳浓度可随着固化时间和温度而调节。例如,当固化时间和温度相当低时可使用较高的浓度,从而确保在固化期间释放足够的酸。
可能有利的是临固化步骤之前优选小于1小时、更优选小于30分钟、最优选小于10分钟才使所述金属层或图案与含有所述酸或所述酸前体的溶液接触。
所述金属层或图案可在使它们与含有所述酸或所述酸前体的溶液接触之前干燥。
根据本发明的第二实施方案制备导电金属层或图案的方法包括以下步骤:
- 提供载体,在所述载体的至少一侧上具有底漆层,
- 施用金属纳米粒子分散体在所述底漆层上以得到金属层或图案,
- 固化所述金属层或图案,
其特征在于所述底漆包含能够在固化所述金属层或图案期间产生酸的化合物。
释放的酸优选为HCl。能够在固化期间产生HCl的特别优选的化合物为偏氯乙烯、丙烯酸酯和衣康酸的共聚物。
在所述三组分共聚物中单体的相对比例为优选35-96摩尔%、更优选60-94摩尔%的偏氯乙烯;优选3.5-40摩尔%、更优选5-35摩尔%的丙烯酸酯;和优选0.5-25摩尔%、更优选1-5摩尔%的衣康酸。
可用于制备所述共聚物的优选丙烯酸酯为在烷基中具有1-18个碳原子的丙烯酸和甲基丙烯酸的烷基酯(例如,甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸正十二烷酯、甲基丙烯酸正十八烷酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸丙酯)。
所述共聚物可通过例如在EP465726中公开的共聚方法的各种共聚方法制备。
所述共聚物可通过任何合适的技术涂覆在载体上。它们可作为有机溶剂溶液或自水性分散体中施用。
含有偏氯乙烯共聚物的其他优选底漆为在EP343642中公开的那些。
所述底漆至少提供在所述载体的一侧上,然后将提供图案的金属层。
使用含有能够在固化期间产生酸的化合物的底漆且尤其是包含上文公开的偏氯乙烯共聚物的底漆的另一优势是显著改善导电金属层或图案对载体的附着力。
可组合两种方法。可使施用在含有能够在固化期间产生酸的化合物的底漆层上的金属层或图案与含有酸或能够在固化期间释放酸的酸前体的溶液接触。
金属纳米粒子分散体
所述金属纳米粒子分散体包含金属纳米粒子、分散介质和任选一种或多种添加剂。
金属纳米粒子
所述金属纳米粒子包含一种或多种以元素或合金形式的金属。所述金属优选选自银、金、铜、镍、钴、钼、钯、铂、锡、锌、钛、铬、钽、钨、铁、铑、铱、钌、锇、铝和铅。特别优选基于银、铜、钼、铝、金、铜或其组合的金属纳米粒子。最优选银纳米粒子。
术语“纳米粒子”是指在分散体制备结束时具有低于200nm的平均粒度的分散粒子。所述金属纳米粒子在分散体制备结束时具有小于200nm、优选小于100nm、更优选小于50nm、最优选小于30nm的平均粒度。
分散介质
所述分散介质优选包含根据式I的溶剂:
式I
其中:
R1和R2代表任选被取代的烷基,且
R1和R2可形成环。
在式I中的术语“烷基”意指对于烷基中每个数目的碳原子所有可能的变体,即对于3个碳原子有:正丙基和异丙基;对于4个碳原子有:正丁基、异丁基和叔丁基;对于5个碳原子有:正戊基、1,1-二甲基-丙基、2,2-二甲基丙基和2-甲基-丁基等。
在一个优选的实施方案中,所述分散介质包含根据式II的溶剂:
(式II)
其中:
L为任选被取代的直链或支链的C2-C11亚烷基。
在一个更优选的实施方案中,所述分散介质包含选自任选被取代的2-吡咯烷酮、β-内酰胺、γ-内酰胺、δ-内酰胺或ε-内酰胺的溶剂。
在一个甚至更优选的实施方案中,所述金属纳米粒子分散体包含作为分散介质的选自2-吡咯烷酮、4-羟基-2-吡咯烷酮、δ-戊内酰胺或ε-己内酰胺的溶剂。在一个最优选的实施方案中,所述分散介质包含2-吡咯烷酮。
所述金属纳米粒子分散体包含相对于分散体的总重量而言1-75重量%、优选2.5-50重量%、更优选5-25重量%的量的如上定义的溶剂。
除了根据式I的溶剂之外,所述金属纳米粒子分散体的分散介质还可包含共溶剂,优选为醇或酮。所述共溶剂更优选为乙醇或甲乙酮(MEK)。所述共溶剂可在金属纳米粒子分散体的制备开始时存在或者可在制备期间或制备结束时加入。
聚合分散剂
所述分散介质可含有分散剂,通常为聚合分散剂。然而,因为这样的聚合分散剂(或其他添加剂)可能降低在低烧结温度下用金属纳米粒子分散体制备的涂层的导电率,所以优选不使用它们。
聚合分散剂通常为由丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基吡咯烷酮、乙烯醇缩丁醛、乙酸乙烯酯或乙烯醇单体制备的均聚物或共聚物。
还可使用如通过热重分析所测量在低于300℃的温度下具有95重量%分解度的在EP-A 2468827中公开的聚合分散剂。
然而,在一个优选的实施方案中,根据本发明的金属纳米粒子分散体包含相对于分散体的总重量而言小于5重量%、更优选小于1重量%、最优选小于0.1重量%的聚合分散剂。在一个特别优选的实施方案中,所述分散体根本不含聚合分散剂。
印刷或涂覆流体
还分别称为金属油墨或金属涂覆溶液的金属印刷或涂覆流体可由所述金属纳米粒子分散体制备。
所述金属纳米粒子分散体可直接作为金属印刷或涂覆流体使用。然而,为了优化涂覆或印刷性质,并且还取决于使用其的应用,可将例如还原剂、湿润剂/匀染剂、去湿剂、流变改性剂、胶粘剂、增粘剂、润湿剂、喷射剂、固化剂、杀生物剂或抗氧化剂的添加剂加到所述金属纳米粒子分散体中。
优选可在制备金属印刷或涂覆流体的同时加入无机酸或产生所述酸的酸前体。
相对于金属印刷或涂覆流体的总重量而言,添加剂的总量优选小于20重量%,更优选小于10重量%且甚至更优选小于5重量%。
可加入增稠剂以增加所述印刷或涂覆流体的粘度。优选的增稠剂可选自无定形二氧化硅、具有不同分子量的聚乙烯吡咯烷酮和基于纤维素的增稠剂。特别优选的增稠剂为羟丙基纤维素。
优选将高沸点溶剂加到油墨中以防止油墨在印刷期间干燥。此外,这样的高沸点溶剂还可对油墨的导电率具有积极影响。优选的高沸点溶剂为二甘醇(DEG)、2-丁氧基乙醇和1-甲氧基-2-丙醇。
并且,在制备所述金属印刷或涂覆流体时还可将稀释剂加到金属分散体中。相对于油墨的总重量而言,这些任选的稀释剂的量优选小于75重量%,更优选小于60重量%。所述稀释剂可选自醇、芳族烃、酮、酯、脂族烃、高级脂肪酸、卡必醇、纤维素溶剂和高级脂肪酸酯。合适的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、1-丁醇、1-戊醇、2-丁醇、叔丁醇。合适的芳族烃包括甲苯和二甲苯。合适的酮包括甲乙酮、甲基异丁基酮、2,4-戊二酮和六氟乙酮。并且还可使用二醇、二醇醚、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺。
所述金属印刷或涂覆流体的制备包括通过使用例如搅拌、高剪切混合、超声波处理或其组合的均质化技术将任选的添加剂和/或稀释剂加到金属纳米粒子分散体中。所述均质化步骤可在高达100℃的高温下进行。在一个优选的实施方案中,所述均质化步骤在等于或低于60℃的温度下进行。
在一个优选的实施方案中,制备金属丝网印刷油墨。所述丝网印刷油墨具有3000-400000mPa.s、优选5000-100000mPa.s、更优选10000-50000mPa.s的粘度。根据一个特别优选的实施方案,制备银丝网印刷油墨。
在另一优选的实施方案中,制备金属柔版或凹版印刷油墨。所述油墨具有50-3000mPa.s、优选200-1000mPa.s、最优选300-500mPas.s的粘度。根据一个特别优选的实施方案,制备银柔版印刷油墨。
在另一优选的实施方案中,制备金属喷墨油墨。所述喷墨油墨具有1-50mPa.s、优选5-30mPa.s、更优选7-15mPa.s的粘度。根据一个特别优选的实施方案,制备银喷墨油墨。
上文提到的粘度在1/s的剪切速率下在20-25℃的温度下(例如用来自Texas
Instruments的AR2000流变仪)测量。
金属层或图案
所述金属层或图案通过包括在载体上施用如上定义的印刷或涂覆流体的步骤的方法制备。
可在基材上施用多个金属层或图案,即图案化或未图案化的叠层。在制备所述金属层或图案的方法中提到的载体因此也涵盖先前施用的金属层或图案。
所述金属层或图案还可通过喷墨印刷或通过例如柔版印刷、胶版印刷、凹版印刷或丝网印刷的任何常规印刷技术或通过例如喷涂、刮涂、槽模涂布的任何常规涂覆技术获得。
在所述层或图案施用在基材上之后,可进行烧结步骤,也称作固化步骤。在该烧结步骤期间,溶剂蒸发和金属粒子烧结在一起。在金属粒子之间一旦形成连续的渗滤网络,所述层或图案就将变得导电。常规固化通过加热进行。固化温度和时间取决于所使用的基材和所述金属层或图案的组成。固化所述金属层的固化步骤可在低于250℃、优选低于200℃、更优选低于180℃、最优选低于160℃的温度下进行。
所述固化时间优选≤60分钟,更优选≤30分钟且最优选≤15分钟,这取决于所选择的温度、基材和金属层的组成。
然而,代替通过加热进行的常规固化或者除了通过加热进行的常规固化之外,可使用供选的固化方法,例如暴露于氩激光器、微波辐射、UV辐射或低压氩等离子体、光化固化、等离子体或等离子体增强的电子束或脉冲电流烧结。
本发明的金属层允许足够低的固化温度,使得可以使用无法经受住高温热处理的聚合基材,例如PET。低固化时间能够实现高生产率。
如上文已经描述,在将金属层或图案在例如30-90℃的较高温度下浸渍在含有酸的溶液中时无需固化步骤而得到高导电率。
在固化之后表述为(金属的)体导电率的%的金属层或图案的导电率优选≥10%,更优选≥20%,最优选≥30%。
所述金属层或图案可用于各种电子器件或所述电子器件的部件中,例如有机光伏(OPV)、无机光伏(c-Si、a-Si、CdTe、CIGS)、OLED显示器、OLED照明、无机照明、RFID、有机晶体管、薄膜电池、触摸屏、电子纸、LCD、等离子体、传感器、膜开关或电磁屏蔽。
制备金属纳米粒子分散体的方法
所述金属纳米粒子分散体可通过任何已知的制备这类分散体的方法来制备。
制备金属纳米粒子分散体的优选方法包括以下步骤:
- 将金属前体粒子分散在包含根据式I的溶剂的分散介质中;和
式I
其中
R1和R2代表任选被取代的烷基,且
R1和R2可形成环,
- 用还原剂还原所述金属前体以形成金属纳米粒子。
所述金属前体分散体通过将所述金属前体加到含有根据式I的溶剂的所述分散介质中来制备。
所述金属前体粒子通常可作为粉末、碎片、粒子或聚结粒子得到。在分散体制备之前,所述碎片或粉末可借助于干磨、湿磨、高剪切分散法或筛分技术来降低尺寸。
为了制备金属前体分散体,可使用典型的分散方法,例如沉淀、混合、研磨、原位合成或其组合。例如温度、加工时间、能量输入等实验条件取决于所选择的方法。分散过程可以连续、间歇或半间歇模式进行。
混合装置可包括加压捏合机、敞开式捏合机、行星式混合机、溶解器和高剪切立式混合机和道尔顿通用混合机(Dalton
Universal Mixer)。合适的研磨和分散装置有球磨机、珠磨机、胶体磨、高速分散器、双辊机、珠粒研磨机、调油器和三辊机。可将许多不同类型的物质用作研磨介质,例如玻璃、陶瓷、金属和塑料。所述分散体还可使用超声波能量制备。
以重量%金属表示的金属前体分散体的浓度优选为1-50重量%,更优选为2-25重量%,最优选为3-15重量%。
所述金属纳米粒子借助于还原步骤如将金属氧化物还原成金属而由金属前体粒子制备。金属前体粒子可选自金属氧化物、金属盐、金属氢氧化物和金属络合物。
优选的金属氧化物粒子为氧化银、氧化锡、氧化钛、氧化锆、氧化钨、氧化钼、氧化镉、氧化铜或氧化锌粒子。还可使用掺杂的金属氧化物粒子,例如ZnO:Al、SnO2:F或SnO2:Sb粒子。
优选的金属氢氧化物粒子为氢氧化铜、氢氧化钛、氢氧化锆、氢氧化钨、氢氧化钼、氢氧化镉或氢氧化锌粒子。
优选的金属盐包括无机酸盐,例如硝酸盐、碳酸盐、氯化物、磷酸盐、硼酸盐、磺酸盐和硫酸盐;和有机酸盐,例如硬脂酸盐、肉豆蔻酸盐或乙酸盐。
如上所提,特别优选的金属纳米粒子为银纳米粒子。这些可例如通过还原氧化银、硝酸银或乙酸银来制备。
在该还原步骤中使用的还原剂优选可溶解于所述分散介质中。所述还原剂可选自羟胺及其衍生物、甲酸、乙二酸、抗坏血酸、肼及其衍生物、二硫苏糖醇、亚磷酸盐、亚磷酸氢盐(hydrophosphite)、亚磷酸及其衍生物、氢化铝锂、氢化二异丁基铝、硼氢化钠、亚硫酸盐、锡(II)络合物、铁(II)络合物、锌汞齐、钠汞齐、原子氢或Lindlar催化剂。
优选的还原剂为羟胺及其衍生物(hydroxylamine of derivatives thereof),特别优选N,N-二乙基羟胺。另一优选的还原剂为甲酸。
表示为还原剂与金属的摩尔比的还原剂的用量优选为0.6-10,更优选为0.8-8,最优选为1-6。
金属前体还原成金属纳米粒子程度优选为60-100%。
所述还原剂优选以受控的方式加到分散体中,从而防止前体还原太快。
制备根据本发明的金属纳米粒子分散体的另一优选方法包括以下步骤:
- 通过将金属前体加到分散介质中而形成金属前体分散体或溶液,所述分散介质包括:
(a) 根据式I的溶剂,和
式I
其中:
R1和R2代表任选被取代的烷基,
R1和R2可形成环,
(b) 根据式III的羧酸,
R-COOH
式III
其中
R为任选被取代的C2-C7烷基、烯基、炔基或环烷基;
- 用还原剂还原所述金属前体以形成金属纳米粒子;
- 沉降所述金属纳米粒子以得到包含至少15重量%的金属纳米粒子的浓缩的金属纳米粒子分散体。
已经观察到,通过使用根据式I的溶剂和根据式III的羧酸的组合,可得到金属纳米粒子的细小且均质的沉降物,其易于再分散且可用其制备高导电的层。可能的解释可能是,根据式I的溶剂和根据式III的羧酸两者可使金属前体粒子和/或金属纳米粒子稳定化,这可导致不存在粒子团聚体。存在如下征象:根据式I的溶剂特别地使金属纳米粒子稳定化,而所述羧酸使金属前体粒子稳定化。
在制备金属纳米粒子分散体的优选方法中使用的反应或分散介质含有根据式III的羧酸,
R-COOH
式III
其中
R为任选被取代的C2-C7烷基、烯基、炔基或环烷基。
C2-C7烷基、烯基、炔基或环烷基含有2-7个碳原子。
R优选为任选被取代的C2-C7烷基。术语“烷基”意指对于烷基中每种数目的碳原子所有可能的变体,即对于3个碳原子有:正丙基和异丙基;对于4个碳原子有:正丁基、异丁基和叔丁基;对于5个碳原子有:正戊基、1,1-二甲基-丙基、2,2-二甲基丙基和2-甲基-丁基等。
优选R为正烷基。当烷基的链长增加时,观察到反应混合物的粘度增加。另一方面,具有较短烷基的酸具有不可接受的气味。在式III中的R基团最优选为C4-C6正烷基。
特别优选的根据式III的羧酸为戊酸、己酸和庚酸。
表示为羧酸与金属的摩尔比的在本发明方法中使用的根据式III的羧酸的量优选为1-10,更优选为2-8,最优选为3-6。
所述金属前体分散体通过将金属前体加到如上文公开的分散方法中描述的分散介质中来制备。然而,所述分散介质现在含有根据式I的溶剂和根据式III的羧酸。
所述金属纳米粒子借助于还原步骤如将金属氧化物还原成金属而由金属前体粒子制备。所述还原可如上文公开进行。
为了获得包含至少15重量%的金属纳米粒子的高浓度的金属纳米粒子分散体,在还原步骤之后进行沉降步骤。
在沉降步骤之后,得到金属纳米粒子的细小、均匀的沉降物。沉降步骤和任选的洗涤步骤也引起可对由分散体得到的涂层的导电率具有负面影响的有机成分(溶剂、羧酸、还原剂、粘结剂)的去除。
优选在还原步骤之后,将分散体转移到含有搅拌器和管的沉降容器中,以除去上清液。然而,还可使用其他方法以从上清液中分离沉降物。
沉降优选通过让混合物在不搅拌的情况下静置一段时间如过夜来进行。然而,沉降可通过溶剂蒸发、通过加入非溶剂、通过离心分离或通过超速离心分离来诱发或加速。
在沉降完成时,将上清液从沉降物中除去。非常重要的是在从沉降物中分离上清液期间不扰动沉降物。
优选对所得到的沉降物进行一个或多个洗涤步骤,以进一步至少部分地除去仍然存在于沉降物中的不必要的成分。
在一个洗涤步骤中,将溶剂加到沉降物中且将所得分散体搅拌一段时间,例如1小时或半小时。
随后,让混合物在不搅拌的情况下静置一段时间,例如1小时,产生沉降物和上清液。随后除去上清夜。
可使用相同或不同的溶剂进行多个洗涤步骤。
考虑到从沉降物中除去不必要的成分和在溶剂中沉降金属纳米粒子而选择溶剂。金属纳米粒子的可逆团聚可加速沉降。已经观察到通过本发明方法(即,在式I的溶剂和根据式III的羧酸存在下)制备的金属纳米粒子实际上以这样的可逆团聚为特征,因此加速沉降,但形成可易于再分散的沉降物。
选择在最后洗涤步骤中使用的溶剂,同样考虑由所述分散体制成的印刷或涂覆流体的导电率和印刷性质。
在一个优选的实施方案中,进行四个洗涤步骤。前两个洗涤步骤用1-甲氧基-2-丙醇,最后两个洗涤步骤用ButylcellosolveTM,得自DOW CHEMICALS的丁二醇醚。
相对于分散体的总重量而言,通过本发明方法得到的高浓度的金属纳米粒子分散体含有至少15重量%、更优选至少30重量%、最优选至少50重量%的金属纳米粒子。相对于分散体的总重量而言,所述金属纳米粒子分散体特别优选含有60-80重量%的金属纳米粒子。
实施例
材料
除非另作说明,否则在以下实施例中使用的所有物质均自标准来源如Aldrich Chemical
Co. (比利时)和Acros(比利时)容易地购得。除非另有规定,否则所有物质都在不进一步纯化的情况下使用。
• ButylcellosolveTM为得自DOW CHEMICALS的丁二醇醚。
• Dowanol PMTM为得自DOW CHEMICALS的1-甲氧基-2-丙醇。
• KlucelTMJ为得自HERCULES的羟丙基纤维素。
• DAPRO DF 6800,得自ELEMENTIS的消泡剂(含有疏水改性的二氧化硅的聚硅氧烷)。
• Disperbyk®-2025,得自BYK
Additives & Instruments的湿润添加剂。
• IPA为异丙醇。
• EtOAc为乙酸乙酯。
• AcOH为乙酸。
• THF为四氢呋喃。
• MEK为甲乙酮。
• DMA为N,N-二甲基乙酰胺。
• NMP为N-甲基吡咯烷酮。
• 氧化银,得自UMICORE。
• Copol (ViCl2-MA-IA),得自Agfa Gevaert的偏二氯乙烯-甲基丙烯酸和衣康酸的共聚物。
• Mersolat H40,得自Lanxess的表面活性剂。
• Kieselsol 100F,得自Bayer的二氧化硅。
实施例1
制备银纳米粒子分散体NPD-01
将576.0g 2-吡咯烷酮、576.0g乙醇和1728.0g YTZ珠加到2升PE容器中。向该混合物中加入320.0g氧化银(得自Umicore)。随后将密闭的容器置于“辊磨机(roller mill)”上24小时。在除去YTZ珠之后,得到预分散体。
在22℃下将44.26ml甲酸加到预分散体中(1.25mL/min)。随后将混合物在22℃下搅拌过夜。随后使用60μm滤布过滤混合物。随后将滤液在40℃下浓缩,首先在110毫巴下浓缩60分钟,随后在60毫巴下浓缩30分钟。
相对于分散体的总重量而言,所得到的银纳米粒子分散体NPD-01具有±20重量%的银。
实施例2
随后将银纳米粒子分散体NPD-01和通过首先用2-苯氧基乙醇(fenoxyethanol)/2-甲基吡咯烷酮的50/50重量%混合物稀释该分散体得到的分散体涂覆在聚酯(刮刀涂覆机,涂层厚度为10μm),以得到涂覆层CL-01和CL-02。
随后对CL-01和CL-02进行多种处理:干燥,在涂覆层上施用1% HCl溶液的外涂层,和以在表2中所示的顺序固化。
在对涂覆层进行不同处理之后涂覆层的表面电阻(SER)使用四点共线探针测量。表面或薄层电阻通过下式计算:
SER = (π/ln2)*(V/I)
其中:
SER为层的表面电阻,以Ω/□表示;
π为数学常数,约等于3.14;
ln2为等于数值2的自然对数的数学常数,约等于0.693;
V为通过四点探针测量装置的伏特计测量的电压;
I为通过四点探针测量装置测量的源电流。
对于各样品,在涂层的不同位置进行三次测量并计算平均值。
涂层的银含量MAg (g/m2)通过WD-XRF测定。
涂覆层的导电率通过使用下式计算作为银的体导电率的百分数的导电率来确定:
其中:
ρAg为银的密度(10.49g·cm-3)且σAg为银的比导电率(等于6.3×105S/cm)。
涂覆的金属层的导电率示于表2中。
表2
从表2中的结果中清楚可知已经施用了HCl的外涂层的本发明实施例具有最高导电率。
实施例3
制备银纳米粒子分散体NPD-02
在搅拌的同时将78.0g氧化银缓慢加到含有275.0g戊酸和401.0g 2-吡咯烷酮的1L反应器中。将混合物的温度保持在25℃。
在氧化银的添加完成之后,将悬浮液在25℃下搅拌过夜。
随后,在1.5小时的时间跨度下将300.0g N,N-二乙基羟胺加到悬浮液中。将反应混合物的温度保持在25℃。在加入了所有还原剂时,将反应物保持在25℃,同时再搅拌1小时。
随后将反应混合物进料到沉降容器中,将其在不搅拌的情况下在此保持过夜。从沉降物中小心地除去上清液。
将所得的沉降物洗涤四次:用Dowanol PMTM
(547g)洗涤两次且用butylcellosolveTM
(547g)洗涤两次。在各个洗涤步骤中,将溶剂加到沉降物中且将所得悬浮液在300rpm下搅拌0.5小时。随后,将不搅拌的悬浮液再保持1小时,且小心地除去上清液。
在用butylcellosolveTM的最后洗涤步骤之后,将沉降物在得自Rousselet Robatel (France)的离心倾析器中在3000rpm下离心0.5小时。
相对于分散体的总重量而言,所得到的银纳米粒子分散体NPD-02具有±41重量%的银。
实施例4
将银纳米粒子分散体NPD-01和NPD-02涂覆在聚酯(刮刀涂覆机,涂层厚度为10μm)上并在120℃下干燥3分钟以得到涂层CL-03和CL-04。随后,将HCl外涂层(HCl OC)施用在银层(湿涂层厚度为20μm)上并在表3中所示的条件下干燥。使用两个不同的HCl外涂层:OC-01自在丁基纤维素中的5重量% HCl溶液涂覆,OC-02自在乙醇中的5重量% HCl溶液涂覆。
导电率如在实施例2中测量并示于表3中。
表3
从表3中清楚可知在将HCl外涂层施用在银层上时导电率增加。在HCl外涂层存在下,在室温下进行固化时得到高导电率。
实施例5
涂覆溶液通过将Klucel J
(12.6重量%)、丁基纤维素(1.4重量%)加到银纳米粒子分散体NPD-02 (86重量%)中来制备。随后将涂覆溶液涂覆在有或没有在载体的一侧上提供底漆的聚酯基材上(刮刀涂覆机,涂覆厚度为10μm)并在120℃下干燥3分钟。
底漆自水性涂覆溶液中涂覆。底漆的组成示于表4中。
表4
固化如在表5中所示进行。导电率如在实施例2中测量并示于表5中。
表5
从表5中清楚可知在金属层提供在表4的底漆上时观察到较高的导电率。
实施例6
通过蒸发分散溶剂由银纳米粒子分散体NPD-01制备糊剂。相对于分散体的总重量而言,糊剂具有±47重量%的银含量。
随后将糊剂涂覆在有或没有在载体的一侧上提供底漆的聚酯基材上(刮刀涂覆机,涂层厚度为10μm)并在120℃下干燥3分钟。
使用实施例5的底漆。
固化在150℃下进行20分钟。导电率如在实施例2中测量并示于表6中。
表6
从表6中清楚可知在金属层提供在表4的底漆上时观察到较高的导电率。
实施例7
在该实施例中,已经进行了在WO2003/038002中公开的方法。在该方法中,使银层与含有所谓的絮凝剂(即,聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDAC))的溶液接触。
将银纳米粒子分散体NPD-01用2-苯氧基乙醇/2-甲基吡咯烷酮的50/50重量%混合物稀释且随后将其涂覆在聚酯(刮刀涂覆机,涂层厚度为10μm)上以得到涂覆层CL-05。
随后,将PDAC外涂层(PDAC OC)施用在银层(湿涂层厚度为40μm)上。使用两个不同的PDAC外涂层:OC-03自在水中的1重量% PDAC溶液涂覆,OC-02自在水中的5重量% PDAC溶液涂覆。
在施用外涂层之后,将涂覆层如在表7中所示洗涤。随后在120℃下进行固化30分钟。
在表7中所示导电率如在实施例2中测量。
表7
从表7中清楚可知在固化之前使银层与PDAC接触没有增加固化的银层的导电率,而固化的银层的导电率增加在例如已经将HCl外涂层施用在银层上时(参见实施例2)已经观察到。
实施例8
实施例6的固化银层的附着力通过交叉划线试验(根据ASTM D3359,标度0B-5B,其中附着力从0B增加到5B)评价。
结果示于表8中。
表8
从表8中清楚可知底漆的存在不仅增加了银层的导电率,而且增加了银层对载体的附着力。
实施例9
将在实施例2中制备的银纳米粒子分散体NPD-02丝网印刷在具有约4mm的厚度的pMMA基材(聚酯P180丝网,Ulano CDF Matrix UV薄膜,覆墨刀角度(flood bar angle) = 70º,涂刷器角度(squeegee
angle)= 50º,完全覆盖)。
随后评价在如在表9中所示的顺序进行不同处理之后印刷的银的导电率。
表9
显然将银印品浸渍在HCl溶液中(所有本发明的实施例)引起印刷的银的导电率增加。
观察到INV-21具有最高导电率,其中在HCl溶液中浸渍并干燥之后,进行另一固化步骤(15分钟/150℃)。
然而,INV-22至INV-24显示,通过在较高温度(70℃)下将银印品浸渍在HCl溶液中,得到高导电率,而无需这样的另外固化步骤。
Claims (15)
1. 制备导电金属层或图案的方法,其包括以下步骤:
- 施用金属纳米粒子分散体在载体上以得到金属层或图案,
- 使图案的金属层与含有酸或能够在图案的金属层的固化期间释放酸的酸前体的溶液接触。
2. 根据权利要求1的方法,其中将含有酸或酸前体的溶液涂覆在金属层或图案上。
3. 根据权利要求1的方法,其中将金属层或图案浸泡在含有酸或酸前体的溶液中。
4. 根据权利要求3的方法,其中所述溶液含有酸且其中所述金属层或图案在30-90℃的温度下浸泡在溶液中。
5. 根据前述权利要求中任一项的方法,其还包括固化步骤。
6. 制备导电金属层或图案的方法,其包括以下步骤:
- 提供载体,在载体的至少一侧上具有底漆层,
- 施用金属纳米粒子分散体在底漆层上以得到金属层或图案,
特征在于所述底漆包含酸或能够在图案的金属层的固化期间释放酸的化合物。
7. 根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述酸为无机酸。
8. 根据权利要求7的方法,其中所述无机酸选自HCl、HBr、HI、HF、H2SO4、HNO3、H3PO2和H3PO4。
9. 根据权利要求8的方法,其中所述无机酸为HCl或HBr。
10. 根据权利要求6的方法,其中所述底漆包含偏氯乙烯共聚物。
11. 根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述金属纳米粒子分散体包含银纳米粒子。
12. 根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述金属纳米粒子分散体包含一种或多种选自增稠剂、高沸点溶剂和润湿剂的添加剂。
13. 根据权利要求12的方法,其中所述增稠剂为纤维素衍生物。
14. 根据权利要求12或13的方法,其中所述高沸点溶剂选自二乙二醇、1-甲氧基-2-丙醇和2-丁氧基乙醇。
15. 根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述固化在150℃或更低的温度下进行30分钟或更短时间。
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