CN106952677A

CN106952677A - 一种耐高温传感用导电碳浆及其制备方法

Info

Publication number: CN106952677A
Application number: CN201710194337.4A
Authority: CN
Inventors: 梁朦朦; 王慰; 李仲晓; 侯其超; 刘儒平; 徐芬兰; 颜燕
Original assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Current assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-07-14

Abstract

本发明涉及一种耐高温传感用导电碳浆及其制备方法，属于传感材料领域。该导电碳浆原料的质量份组成为：树脂15～45份，溶剂55～85份，纳米级填料1～8份，助剂0.5～8份，固化剂0.1～10份。首先将适量低熔点树脂与高沸点溶剂在100℃的温度下搅拌混合，至完全溶解；然后依次加入纳米级填料及各种助剂，最后加入固化剂，高速搅拌，震荡、研磨，使混合物形成匀质相。本发明增加了碳浆的粘结强度，提高了传感器的导电性以及耐热性，同时使附着力增强。通过该方法制作的纳米碳浆解决了低熔点树脂作为基体的导电浆料耐温度低的问题，制作工艺简单，产量高，可以有效应用工业生产。

Description

一种耐高温传感用导电碳浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温传感材料及其制备方法，尤其涉及一种耐高温传感用导电碳浆及其制备方法，属于传感材料领域。

背景技术

导电碳浆是以导电的碳系微粒均匀的分布于热塑性或者热固性树脂中形成的粘稠状物。加热固化后，墨膜层不易氧化，性能稳定，耐酸碱和溶剂腐蚀，可以起到很好的保护和导电作用。油墨的附着力强，与金属、玻璃及VC、PET和PC片材结合良好，成本低廉，性价比高。

导电碳浆广泛应用于通讯制品(移动电话)、电脑、便携式电子产品、消费电子、网络硬件、医疗仪器、家用电子产品和航天及国防电子产品。如果碳浆能有更好的导电性能和物理性能，则碳浆会有更大的应用价值。

现在技术中的导电碳浆主要是以环氧树脂等低熔点树脂为粘合材料。但是由于此类树脂做成的复合材料耐温点较低，导致其应用范围窄，应用领域受到很大限制。且酚醛树脂，聚氨酯树脂等相对高熔点树脂对溶解过程中的温度及时间要求较高。

发明内容

鉴于此，本发明克服了技术背景中的缺陷，提供了一种传感用碳浆的配方及其制备方法。选取了一种低熔点的树脂即环氧树脂，降低了溶解树脂过程中的对高温的要求，后期通过加入固化剂，使其基体树脂内部形成三维网络结构，增加了碳浆的粘结强度，提高了传感器的导电性以及耐热性，增大了其地域应用范围。并提高了导电油墨的分散稳定性，赋予了普适的工艺性。

本发明的耐高温传感材料，具体为一种耐高温传感用导电碳浆，该导电碳浆原料的质量份组成为：

树脂：15～45份；

溶剂：55～85份；

纳米级填料：1～8份；

助剂：0.5～8份；

固化剂：0.1～10份。

本发明的耐高温传感用导电碳浆由以上质量份含量的原料制备得到。

在上述耐高温传感用导电碳浆中：

树脂的质量份含量优选为20～40份；更优选的为25～35份；

溶剂的质量份含量优选为58～75份；更优选的为60～70份；

纳米级填料的质量份含量优选为2～6份；更优选的为3～5份；

助剂的质量份含量优选为1～6份；更优选的为2～5份；

固化剂的质量份含量优选为0.5～8份；更优选的为3～5份。

所述纳米级填料为导电槽黑、乙炔炭黑、炉法炭黑、纳米碳纤维中的一种或两种以上混合物。优选的，所述的纳米级填料的粒径为1-200纳米。纳米碳纤维(Carbonnanofibers，CNFs)的直径为50-200nm，长径比为100-500。

所述树脂包括双酚A型环氧树脂、酚醛环氧树脂和丙三醇环氧树脂中的一种或两种以上混合物。

所述的高沸点溶剂包括己二酸二乙酯、乙二醇丁醚醋酸酯和1,4丁内酯中的一种或两种以上的混合物。

所述的助剂包括传感器添加剂、偶联剂、分散剂、增塑剂和流平剂中的一种或两种以上的混合物。

所述的传感器添加剂包括道康宁添加剂DC-51、无锡智帆的LM-D传感器添加剂中的一种。

所述的偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂中的一种。

所述的分散剂包括聚醚高分子分散剂、氨基甲酸酯共聚物溶液、高效聚氨酯和改性丙烯酸分散剂中的一种。

所述的增塑剂包括邻苯二甲酸酯类、对苯二甲酸酯类、柠檬酸酯类和磷酸酯类中的一种。

所述的流平剂包括有机改性硅氧烷、丙烯酸酯流平剂中的一种。

所选用的固化剂可为四氢邻苯二甲酸酐、二苯醚四酸二酐和邻苯二甲酸酐中的一种。

本发明导电碳浆的制备方法，包括以下两个步骤：一，制备树脂载体，将适量低熔点树脂与高沸点溶剂在100℃的温度下搅拌混合，至完全溶解；二，制备导电碳浆，依次加入纳米级填料及各种助剂，最后加入固化剂，高速搅拌，震荡、研磨，使混合物形成匀质相。

一种耐高温传感用导电碳浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)树脂载体的制备：将溶剂加热，当加热温度达到100℃时，在搅拌下，分多次少量的加入树脂颗粒，直至所有树脂充分溶解，搅拌均匀后得到树脂载体；

(2)碳浆的制备：在搅拌下，按比例依次加入纳米级填料、助剂和固化剂，并搅拌均匀，然后研磨分散4～10遍，分散均匀后，得到导电碳浆。

在树脂载体的制备步骤(1)中，采用机械搅拌器进行搅拌，所述搅拌的转速为400～600r/min。在搅拌下，可以分3～10次加入树脂颗粒。

在碳浆的制备步骤(2)中，搅拌时，机械搅拌器转速控制在180～220r/min；采用三辊研磨机按照一千克原料每遍研磨5～15分钟进行研磨分散。在三辊研磨前，先进行超声分散，超声分散的时间为15～25min。

本发明耐高温传感用导电碳浆的制作工艺简单，可以通过丝网印刷印制到薄膜上。印制附着力强，导电性好，耐高温，抗化学性优，通过加入适当固化剂，增加了碳浆的粘结强度，并增加了其导电性和耐高温性。

本发明的纳米导电碳浆主要是通过加入固化剂，其基体树脂内部形成三维网络结构，增加了碳浆的粘结强度，同时提高了传感器的导电性以及耐热性，同时使附着力增强。

通过本发明方法制作的纳米碳浆解决了低熔点树脂作为基体的导电浆料耐温度低的问题，制作工艺简单，产量高，可以有效应用工业生产。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1-1为不加固化剂的膜层附着力测试结果，图1-2为加5％固化剂的膜层附着力测试结果。

图2为传感器封装模型图。

图3为传感器揭开模型图。

图4为不加固化剂加热到80℃时揭开图。

图5a至图5d分别为加5％固化剂加热到80℃、100℃、120℃、130℃时的揭开图。

图6a为不加固化剂的样品经酒精擦拭后的照片；图6b为加固化剂的样品经酒精擦拭后的照片。

具体实施方式

下面结合具体事例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的导电碳浆的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)树脂载体的制备：按照本发明所述的质量百分比配比，称量低熔点传感器树脂、高沸点溶剂，在三孔烧瓶中加入溶剂，当加热温度达到100℃，在转速为400～600r/min的条件下，分多次(3～10次)少量的加入传感器树脂颗粒，直至所有树脂充分溶解，搅拌均匀后得到树脂载体；

(2)碳浆的制备：机械搅拌器转速控制在200r/min左右，按比例依次加入纳米级填料和各助剂及固化剂，并搅拌均匀，然后使用三辊研磨机按照一千克每遍5～15分钟研磨分散4～10遍，使之均匀分散，完成导电碳浆的制备。

下面针对不同的材质及配比，以具体的例子进行阐述。

实施例1

将乙二醇丁醚醋酸酯溶剂和双酚A型环氧树脂以7:3的质量比例在温度为100℃、转速为500r/min的条件下混合溶解至均匀，得到均匀相质的树脂载体。双酚A型环氧树脂分5次加入到溶剂中。

将制备好的树脂载体、乙炔炭黑、无锡智帆的LM-D传感器添加剂、聚醚高分子分散剂、有机改性硅氧烷和四氢邻苯二甲酸酐按照500份、8份、6份、6份、1份和7份的质量比例在200r/min的条件下搅拌20min混合在一起，继后超声20min，得到基础碳浆。

用三辊研磨机研磨分散5遍(一千克每遍15分钟)，使之形成均匀的混合相，即得到导电碳浆。

实施例2

将己二酸二乙酯溶剂和酚醛环氧树脂以4:1的质量比例在100℃转速为450r/min的条件下混合溶解至均匀，得到均匀相质的树脂载体。酚醛环氧树脂分7次加入到溶剂中。

将树脂载体、纳米碳纤维、康宁添加剂DC-51、氨基甲酸酯共聚物溶液、丙烯酸酯和邻苯二甲酸酐按照200份、6份、5份、6份、1份和3份的质量比例在220r/分钟的条件下搅拌30min混合在一起，继后超声15min，得到基础碳浆。

用三辊研磨机研磨分散8遍(一千克每遍15分钟)，使之形成均匀的混合相，即得到导电碳浆。

实施例3

将1,4丁内酯和丙三醇环氧树脂以7:2的质量比例在温度为100℃、转速为550r/min的条件下混合溶解至均匀，得到均匀相质的树脂载体。丙三醇环氧树脂分8次加入到溶剂中。

将制备好的树脂载体、炉法炭黑、无锡智帆的LM-D传感器添加剂、高效聚氨酯、有机改性硅氧烷、邻苯(对苯)二甲酸酯类和二苯醚四酸二酐按照300份、8份、6份、6份、1份、2份和3份的质量比例在180r/min的条件下搅拌25min混合在一起，继后超声30min，得到基础碳浆。

用三辊研磨机研磨分散7遍(一千克每遍15分钟)，使之形成均匀的混合相，即得到导电碳浆。

对实施例1-3得到的导电碳浆进行印制附着力、导电性、耐高温、化学性等方面的性能测试。

1、利用附着力测试仪(百格刀)和3M胶带进行附着力测试：

将实施例获得的导电碳浆(试验样品)以及另一份与实施例完全相同但并未加固化剂的导电碳浆(对比样品)，均通过200目网版印刷在PET膜上成厚度为20μm的膜层，100℃高温固化一个小时，用百格刀进行测试。

将两个样品的墨层剥落面积进行比较，可以看到不加固化剂的膜层附着力为4B，加5％固化剂的膜层附着力达到5B。如图1-1为实施例1不加固化剂的膜层附着力测试结果，图1-2为实施例1加固化剂的膜层附着力测试结果。

通过上述测试结果，表明本发明实施例1-3制备的导电碳浆的印制附着力明显好于不加固化剂的对比样。

2、导电性测试：

采用四探针测试仪，分别测量实施例的导电碳浆(试验样品)与另一份与实施例完全相同但并未加固化剂的导电碳浆(对比样品)样品的方阻。测量结果如表1。

表1实施例1-3及不添加固化剂的对比样的方阻测试结果

由表1可以看到，本发明的导电碳浆在添加固化剂后，极大地降低了电阻，提高了导电性。

3、耐高温试验：

将实施例1-3获得的导电碳浆与另一份与实施例相同但为加固化剂的对比样，丝印到带有银电极的PET膜上，100℃高温固化一个小时，形成如图2所示的功能层，然后进行裁剪封装，制得的传感器封装模型样品如图2所示。

将其放到智能气敏分析仪的加热台上进行恒温加热并施以200g砝码的压力，待15min后，取下样品，揭开观察，传感器揭开模型图请参见图3。

实验结果如图4至图5d所示，图4为实施例1中导电碳浆不加固化剂做成的样品加热到80℃时揭开图，涂层之间粘连严重；图5a至图5d分别为实施例1加5％固化剂加热到80℃、100℃、120℃、130℃时的揭开图，涂层之间基本上没有发生粘连。可见，添加固化剂后导电碳浆的耐高温性能显著提高。

4、化学性能：

采用酒精测试：将实施例获得的导电碳浆(试验样品)以及另一份与实施例完全相同但并未加固化剂的导电碳浆(对比样品)均丝印到PET膜上进行烘干，用酒精棉球擦试表面。图6a为实施例1不加固化剂的样品经酒精擦拭后的照片；图6b为实施例1加固化剂的样品经酒精擦拭后的照片，两个样品的表面均没有脱落。通过上述测试结果，表明本发明导电碳浆的抗化学性能较强。

通过以上实验结果，可以看到通过本发明加入适当的固化剂，增加了碳浆的粘结强度，提高了传感器的导电性以及耐热性，增大了其地域应用范围。

Claims

1.一种耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：该导电碳浆原料的质量份组成为：树脂15～45份，溶剂55～85份，纳米级填料1～8份，助剂0.5～8份，固化剂0.1～10份。

2.根据权利要求1所述的耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：所述纳米级填料为导电槽黑、乙炔炭黑、炉法炭黑、纳米碳纤维中的一种或两种以上混合物。

3.根据权利要求4所述的耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：所述的纳米级填料的粒径为1-200纳米。

4.根据权利要求1所述的耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：所述树脂为双酚A型环氧树脂、酚醛环氧树脂和丙三醇环氧树脂中的一种或两种以上混合物。

5.根据权利要求1所述的耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：所述的高沸点溶剂为己二酸二乙酯、乙二醇丁醚醋酸酯和1,4丁内酯中的一种或两种以上的混合物。

6.根据权利要求1所述的耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：所述的助剂为传感器添加剂、偶联剂、分散剂、增塑剂和流平剂中的一种或两种以上的混合物。

7.根据权利要求1所述的耐高温传感用导电碳浆，其特征在于：所述的固化剂为四氢邻苯二甲酸酐、二苯醚四酸二酐和邻苯二甲酸酐中的一种。

8.根据权利要求1所述的耐高温传感用导电碳浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)树脂载体的制备：将溶剂加热，当加热温度达到100℃时，在搅拌下，分多次加入树脂颗粒，直至所有树脂充分溶解，搅拌均匀后得到树脂载体；

9.根据权利要求8所述的耐高温传感用导电碳浆的制备方法，其特征在于：在树脂载体的制备步骤中，采用机械搅拌器进行搅拌，所述搅拌的转速为400～600r/min。

10.根据权利要求8所述的耐高温传感用导电碳浆的制备方法，其特征在于：在碳浆的制备步骤中，搅拌转速控制在180～220r/min；采用三辊研磨机按照一千克原料每遍研磨5～15分钟进行研磨分散。