CN106634519A - 一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料及其制备方法和应用，所述涂料组分按质量百分含量包括：纳米银颗粒8～60％、树脂粘结相5～60％、溶剂20～70％、助剂1～15％。制备方法包括：将纳米银颗粒加入到溶剂中，超声分散，得到稳定的悬浮液；将树脂粘结相和助剂加入到悬浮液中，搅拌，即得。本发明的导电涂料通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于化学处理液中室温处理，干燥，得到织物导电线线路。本发明的制备方法操作简单，制备的织物印制电路耐久性良好，并采用环保溶型组分调制涂料，使用无烧结处理工艺，节能环保，尤其适合在智能纺织品领域的应用。

Description

一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于在纺织品表面印制电路的导电涂料及其制备领域，特别涉及一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料及其制备方法和应用。
背景技术
随着印制电子技术和纺织科学的发展，印制电子纺织品在近年来得到快速发展。印制电子纺织品也就是具有通信和计算等功能的纺织品，赋予纺织品更多的功能是智能纺织品发展的基础。印制电子纺织品的制造过程就涉及到具有电子功能性导电涂料的制备和印制技术的应用。现有关于导电涂料的研究大多集中在将导电填料与粘结相、助剂等匀质而成，也有一些研究直接应用导电填料的浆、溶胶等直接制造印制电路，但是由于纺织品的粗糙表面和内部的毛细管结构和多孔构造等使印制过程困难以及后续应用的牢度不佳。通过添加粘结相来增加导电填料与纺织品之间的粘结强度是很重要的一步，但是目前很多关于导电涂料的应用过程中都需要利用高温、紫外光固化等方式对导电涂料进行烧结从而形成通路。高温固化一般都需要长时间的加热(＞200℃)来使导电涂料实现导通性，但长时间的高热处理会使天然纤维泛黄、手感差且会使部分合成纤维变形甚至热分解等；而使用紫外光等固化方式会增加制造工艺的流程及成本。所以开发无烧结型导电涂料在温和条件下实现导通性变得尤为重要，在低温甚至室温下实现导电通路既能保留纺织品的基本属性的还能赋予其局部导电功能。
导电涂料的导电性是由导电填料的填装密度决定的，常见的导电填料金属、碳材料以及导电高分子。由于纳米金属的优越的导电性及较低的熔融温度而普遍应用，考虑到成本的要求，纳米银颗粒普遍应用于导电涂料的制备。印制步骤有喷墨、丝印等技术，但是由于喷墨对墨水的要求极高例如细度、黏度等从而大大增加调配的成本，相对来说丝网印刷就比较简单，而且可以承印任意基材从而广泛应用。烧结即当涂料印制到基材表面，需要使导电填料受热，溶剂挥发，表面的稳定剂去除形成连续通路。中国发明专利CN201310702869公开了一种塑料表面涂覆用导电涂料，但未涉及烧结过程且制造过程繁琐，需要利用有机溶剂，虽然适用于ABS塑料板，但是相比纺织品的非致密结构，应用难度显而易见。中国发明专利CN201410085837公开了一种可室温烧结的喷墨打印导电墨水，该墨水只应用在了致密结构的电路板上，没有提到在纺织品上的应用。现有技术中在无烧结导电涂料的制备上研究甚少且在纺织品上的应用更少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料及其制备方法和应用，该方法低成本、操作简单，得到的涂料可经过温和的后处理后获得优良的导电性；同时，制备方法中利用简单的化学试剂室温后处理的方法，解决现有导电涂料处理温度高，不适应织物等柔性基材的问题。
本发明的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料，其组分按质量百分含量包括：
所述纳米银颗粒的平均粒径为10～80nm。
所述纳米银颗粒的制备方法为：将6份质量的1.5wt％～20wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液和4份质量的2wt％～30wt％的硝酸银溶液混合，然后滴加4份质量的2wt％～25wt％的硼氢化钠溶液，50℃搅拌反应45～90分钟，离心，洗涤，干燥，得到纳米银颗粒。
所述的纳米银颗粒是采用聚乙烯吡咯烷酮作为保护剂使用。
所述离心的条件为：10000转/分的条件下离心15分钟；洗涤的条件为：用无水乙醇溶液超声清洗1～3次。
所述树脂粘结相为聚氨酯类树脂；溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、异丁醇、二甘醇、正丙醇和丙三醇中的至少一种；助剂为增稠剂PTF。
所述聚氨酯类树脂为聚氨酯乳液、聚氨酯分散液、聚氨酯水溶液中的任意一种。
本发明的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料的制备方法，包括：
(1)将纳米银颗粒加入到溶剂中，超声分散，得到稳定的悬浮液；
(2)将树脂粘结相和助剂加入到步骤(1)中的悬浮液中，搅拌，得到用于纺织品的表面无烧结型导电涂料。
其中，各组分的质量百分含量为：纳米银颗粒8～60％、树脂粘结相5～60％、溶剂20～70％、助剂1～15％。
所述的用于纺织品表面无烧结型导电涂料的应用，所述导电涂料直接通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于化学处理液中室温处理5～15min，干燥，得到具有良好导电性能的织物导电线线路。
所述化学处理液的组分包括：含卤素的电解质溶液、有机溶剂和蒸馏水；其中，含卤素的电解质溶液的体积分数为5～60％，有机溶剂的体积分数为20～80％，其余为蒸馏水。
所述含卤素的电解质溶液为氯化钠、氯化钾、稀盐酸、氯化铵、二烯丙基二甲基氯化铵和聚二烯丙基二甲基氯化铵中的至少一种。
所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺，二氯甲烷、三氯甲烷、乙醇、丙酮、乙醚和乙酸乙酯中的至少一种。
所述纺织品为棉、涤纶、黏胶纤维、锦纶、腈纶、羊毛、蚕丝、聚酰亚胺、芳纶、醋酸纤维中的至少一种制成的针织物、机织物或无纺布。
本发明中的导电涂料的制备由合成纳米银颗粒、调制导电涂料以及无烧结后处理三个部分组成。使用方法为将调制好的导电涂料通过丝网印制到纺织品基材表面，再通过化学试剂室温后处理，在室温下干燥得到导电性优良的织物印制电路。
本发明是将纳米银颗粒、聚氨酯树脂、有机溶剂、助剂混合均匀，得到所述的丝网印制导电涂料。本发明的丝印导电涂料可直接承印到各类织物表面得到所需的导电图案，然后在室温下经过化学试剂浸渍处理，最后在室温下干燥后即可得到具有优良导电性的织物基材印制电路。本发明操作简单，制备的织物印制电路耐久性良好，并采用环保溶型组分调制涂料，使用无烧结处理工艺，节能环保，尤其适合在智能纺织品领域的应用。
本发明的无烧结型丝网印制导电涂料的制备及无烧结的实现方法，利用简单的化学试剂在室温下后处理即可导电，大大拓宽导电涂料在基材上的应用范围。本发明的无烧结型导电涂料，操作方法简单，条件温和，成本低廉，经温和的后处理后可获得优良的导电性。
有益效果
本发明制备的导电涂料电导率高，稳定性好，工艺简单，重复率高，生产周期短，采用无毒配方调制涂料，并使用无烧结工艺，节能环保，尤其适合在智能纺织品领域的应用。
附图说明
图1为实施例1中合成的纳米银的透射电子显微镜(TEM)图片；
图2为实施例3中用经化学处理液室温下处理前后的织物导电图案的扫描电子显微镜(SEM)；其中，A为在棉织物表面丝网印制的图案的扫描电子显微镜图片；B为原棉织物表面扫描电子显微镜图片；C为经实施实例3中化学试剂处理后的棉织物表面丝网印制的图案的扫描电子显微镜图片；D为棉织物表面丝网印制的图案的实物图；E为实施实例3中化学试剂处理实物图；F为经实施实例3中化学试剂处理后的棉织物表面印制的图案的实物图；
图3为实施例3中经化学处理液室温下处理得到的导电图案的环境扫描电子显微镜(EDS)测试结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
纳米银颗粒合成方法如下：分别配制6份质量的质量浓度为20％的聚乙烯吡咯烷酮溶液和4份质量的质量浓度为30％的硝酸银溶液，并将其混合；再将4份质量的质量浓度为25％的硼氢化钠溶液缓慢均匀滴加入前述混合液中；50℃恒温搅拌反应90分钟；将反应所得溶液于10000转/分离心15分钟，将底部沉淀用无水乙醇溶液超声清洗2次，每次清洗后于10000转/分离心15分钟收取底部沉淀，常温干燥，得到纳米银颗粒。
利用上述制备的纳米银颗粒配制导电涂料的组成及各组分的质量百分含量如下：
纳米银颗粒40％、树脂粘结相25％、溶剂30％、助剂5％；其中，银纳米颗粒的平均粒径为70nm；树脂粘结相为聚氨酯水溶液；溶剂为水、乙醇和乙二醇按体积比为20：30：50超声匀质得到；助剂为增稠剂PTF。
制备无烧结的丝印导电涂料的方法包括以下步骤：
(1)将纳米银按质量比例加入到溶剂中，超声分散得到稳定的悬浮液。
(2)按质量比将聚氨酯水溶液，增稠剂PTF加入到步骤(1)中的悬浮液中，机械搅拌即可得到适用于平网印制的导电涂料。
配制无烧结化学试剂处理液，其组分及体积比含量下：
二烯丙基二甲基氯化铵溶液(DMDAAC)40％；
乙醇(EG)30％；
蒸馏水(DW)30％。
制备方法为按体积分数比将二烯丙基二甲基氯化铵溶液、乙醇加入到水中，充分搅拌即可得到化学处理液。
将上述步骤(2)中得到的导电涂料直接通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于上述化学处理液中室温处理10min，取出后室温干燥，得到具有良好导电性能的织物导电线线；其中，得到的导电线路外观为黑色，导电线路的厚度为15μm，使用四探针法测量导电线路的电阻率见表1。
实施例2
利用实施例1中的方法制备纳米银颗粒，得到的纳米银颗粒平均粒径为60nm。
利用上述制备的纳米银颗粒配制导电涂料的组成及各组分的质量百分含量如下：
纳米银颗粒40％、树脂粘结相25％、溶剂30％、助剂5％；其中，银纳米颗粒的平均粒径为70nm；树脂粘结相为聚氨酯水溶液；溶剂为水、乙醇和乙二醇按体积比为20：30：50超声匀质得到；助剂为增稠剂PTF。
制备无烧结的丝印导电涂料的方法同实施例1。
配制无烧结化学试剂处理液，其组分及体积比含量下：
二烯丙基二甲基氯化铵溶液(DMDAAC)40％；
N-甲基吡咯烷酮(NMP)40％；
乙醇(EG)10％；
蒸馏水(DW)10％。
制备方法为按体积分数比将二烯丙基二甲基氯化铵溶液、N-甲基吡咯烷酮、乙醇加入到水中，充分搅拌即可得到化学处理液。
将上述得到的导电涂料直接通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于上述化学处理液中室温处理10min，取出后室温干燥，得到具有良好导电性能的织物导电线线；得到的导电线路外观为黑色，导电线路的厚度为15μm，使用四探针法测量导电线路的电阻率见表1。
实施例3
利用实施例1中的方法制备纳米银颗粒，得到得纳米银颗粒平均粒径为50nm。
利用上述制备的纳米银颗粒配制导电涂料的组成及各组分的质量百分含量如下：
纳米银颗粒40％、树脂粘结相25％、溶剂30％、助剂5％；其中，银纳米颗粒的平均粒径为70nm；树脂粘结相为聚氨酯水溶液；溶剂为水、乙醇和乙二醇按体积比为20：30：50超声匀质得到；助剂为增稠剂PTF。
制备无烧结的丝印导电涂料的方法同实施例1。
配制无烧结化学试剂处理液，其组分及体积比含量下：
制备方法为按体积分数比将二烯丙基二甲基氯化铵溶液、三氯甲烷溶液、乙醇加入到水中，充分搅拌即可得到化学处理液。
将上述得到的导电涂料直接通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于上述化学处理液中室温处理10min，取出后室温干燥，得到具有良好导电性能的织物导电线线；得到的导电线路外观为黑色，导电线路的厚度为15μm，使用四探针法测量导电线路的电阻率见表1。
其中，图2为实施例3中用经化学处理液室温下处理前后的织物导电图案的扫描电子显微镜(SEM)。对比经化学试剂处理前(图2-A)后(图2-C)的丝网印制图案的扫描电子显微镜图片，可发现未经处理的样品表面由于水分的蒸发，具有多孔结构，纳米银颗粒之间不能形成互联导电网络，在经化学试剂在室温处理后，表面致密化，纳米银颗粒之间聚集形成互联导电网络，大大降低体系的电阻，从而在纺织品表面实现室温无烧结导电。且由图3中元素含量显示，经后处理的样品中含有大部分纳米银作为导电填料，使整个体系达到较好的导电性。
对比例1
利用实施例1中的方法制备纳米银颗粒，得到得纳米银颗粒平均粒径为70nm。
利用上述制备的纳米银颗粒配制导电涂料的组成及各组分的质量百分含量如下：
纳米银颗粒40％、树脂粘结相25％、溶剂30％、助剂5％；其中，银纳米颗粒的平均粒径为70nm；树脂粘结相为聚氨酯水溶液；溶剂为水、乙醇和乙二醇按体积比为20：30：50超声匀质得到；助剂为增稠剂PTF。
制备无烧结的丝印导电涂料的方法同实施例1。
配制无烧结化学试剂处理液，其组分及体积比含量下：
乙醇50％
蒸馏水50％
制备方法为按体积分数比将乙醇加入到水中，充分搅拌即可得到化学处理液。
将上述得到的导电涂料直接通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于上述化学处理液中室温处理10min，取出后室温干燥，得到具有良好导电性能的织物导电线线；得到的导电线路外观为黑色，导电线路的厚度为15μm，使用四探针法测量导电线路的电阻率见表1。
表1实施例1、2、3以及对比例1的导电样品的电阻率
样品名称 化学处理液配方 电阻率(Ω·cm室温)
实施例1 DMDAAC+EG+DW 40.64
实施例2 DMDAAC+NMP+EG+DW 1.406
实施例3 DMDAAC+TCM+EG+DW 0.183
对比例1 EG+DW ∞
由表1可知，当后处理液中未加入DMDAAC时，样品在室温下不能实现导通性。随着在后处理液配方中添加DMDAAC，样品的电阻率急剧下降，此时电阻的下降是由于DMDAAC是一种阳离子电解质，能使纳米银颗粒之间自发聚集从而形成互联，此时纳米银颗粒之间的接触电阻降低从而使体系的总电阻下降。当进一步添加有机溶剂TCM或NMP时，电阻进一步下降，此时是由于聚氨酯粘结相在有机溶剂中溶胀，DMDAAC更容易与纳米银形成接触，使纳米银颗粒进一步聚集形成更致密的连接，从而使体系电阻进一步降低。

Claims (10)

1.一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料，其组分按质量百分含量包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料，其特征在于，所述纳米银颗粒的平均粒径为10～80nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料，其特征在于，所述纳米银颗粒的制备方法为：将6份质量的1.5wt％～20wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液和4份质量的2wt％～30wt％的硝酸银溶液混合，然后滴加4份质量的2wt％～25wt％的硼氢化钠溶液，50℃搅拌反应45～90分钟，离心，洗涤，干燥，得到纳米银颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料，其特征在于，所述树脂粘结相为聚氨酯类树脂；溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、异丁醇、二甘醇、正丙醇和丙三醇中的至少一种；助剂为增稠剂PTF。
5.一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料的制备方法，包括：
(1)将纳米银颗粒加入到溶剂中，超声分散，得到悬浮液；
(2)将树脂粘结相和助剂加入到步骤(1)中的悬浮液中，搅拌，得到用于纺织品的表面无烧结型导电涂料。
其中，各组分的质量百分含量为：纳米银颗粒8～60％、树脂粘结相5～60％、溶剂20～70％、助剂1～15％。
6.一种如权利要求1所述的用于纺织品表面无烧结型导电涂料的应用，其特征在于，所述导电涂料通过丝网印刷到纺织品表面，在纺织品表面印制导电线路图案；然后将印制图案置于化学处理液中，室温处理5～15min，干燥，得到织物导电线线路。
7.根据权利要求6所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料的应用，其特征在于，所述化学处理液的组分包括：含卤素的电解质溶液、有机溶剂和蒸馏水；其中，含卤素的电解质溶液的体积分数为5～60％，有机溶剂的体积分数为20～80％，其余为蒸馏水。
8.根据权利要求7所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料的应用，其特征在于，所述含卤素的电解质溶液为氯化钠、氯化钾、稀盐酸、氯化铵、二烯丙基二甲基氯化铵和聚二烯丙基二甲基氯化铵中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料的应用，其特征在于，所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺，二氯甲烷、三氯甲烷、乙醇、丙酮、乙醚和乙酸乙酯中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的一种用于纺织品表面无烧结型导电涂料的应用，其特征在于，所述纺织品为棉、涤纶、黏胶纤维、锦纶、腈纶、羊毛、蚕丝、聚酰亚胺、芳纶、醋酸纤维中的至少一种制成的针织物、机织物或无纺布。
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