CN107502067A - 一种高温烧结发热导电油墨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导电油墨技术领域，具体涉及一种高温烧结发热导电油墨及其制备方法。油墨包括如下组分：石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂，且上述原料质量比是(23‑33)：(1.5‑5.5)：(1.5‑5.5):(30‑40)：(15‑25)：(0.2‑0.8)：(7.4‑11.4)。制备方法包括：按照上述配方组成及比例将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂和助剂加入到溶剂中，充分搅拌，超声分散，研磨，过滤，得到高温烧结发热导电油墨。本发明的导电油墨电能转化为热效率高、发热速度快、电阻可控范围宽、发热可控温度范围宽，具备远红外功能，后期应用过程简单，适用范围广，具备广阔的市场前景。

Description

一种高温烧结发热导电油墨及其制备方法
技术领域
本发明属于导电油墨技术领域，具体涉及一种高温烧结发热导电油墨及其制备方法。
背景技术
随着科技的进步，特种印刷油墨起着日新月异的变化。导电油墨属于特种印刷油墨的一种，依托于各种电子产品向着高精度、高密度、高可靠性以及微细技术方向发展的趋势，近年来在印刷电路、薄膜开关面板、电镀底层、键盘接点、柔性导电排线、电子屏蔽、远红外发热以及射频识别 (RFID)等领域中应用越来越广泛。
导电油墨是一种糊状油墨，主要由导电填料、连接料、溶剂和助剂组成。导电油墨中的导电材料通常为金属粉，常见的有金、银、铜等，金粉导电油墨成本高，铜粉导电油墨抗氧化能力差，易因被氧化而降低导电性。因此，目前大量使用的是银粉系导电油墨。
然而银系导电油墨仍有着各种各样的缺点，如成本仍较高，其电能转化热能的工作温度低(150℃以下)，发热均匀性差，不具备远红外功能，无法作为高电阻使用等，因此在市场上的应用仍有一定的局限性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温烧结发热导电油墨及其制备方法，通过选用多种填料，制备一种具备电阻可控范围宽、发热可控温度范围宽、发热快、能效高且具备远红外功能的导电油墨。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种高温烧结发热导电油墨。
该油墨包括如下组分：石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂，其中，石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂的质量比是(23-33)：(1.5-5.5)：(1.5-5.5)：(30-40)：(15-25)：(0.2-0.8)： (7.4-11.4)。
基于上述方式，通过选用多种填料作为原材料，配以树脂、助剂和溶剂，并选择特定的配合比例，获得了一种电阻可控范围宽、发热可控温度范围宽、电能转化热能效率高且具备远红外功能的高温烧结发热导电油墨。
导电油墨的填料组成、配合比例等对导电油墨的理化特性具有重要影响，主要影响导电油墨的成膜性、附着力、油墨干燥速度以及油墨层的生产操作难度、发热均匀性等。本发明的导电油墨基于上述多种填料的理化特性、交互作用及特定比例范围，汲取了各种填料的理化特性优势，选用导电发热快的石墨烯代替银，利用铜铬黑能够增加电阻的性质和其高温稳定性，利用电气石粉的远红外特性，并配以适当比例的玻璃粉，使得制备的导电油墨能够高效地将电能转化为热能，省电35％左右，其电阻可以控制在5Ω-600Ω的范围内，其发热温度可以控制在30℃-530℃的范围内，同时具备远红外功能。在后期成膜时，通过丝网印刷或喷涂一次成型，过程简单可控，通过高温烧结(600℃)的方式附着在玻璃、陶瓷、搪瓷等基材上，适用范围广，同时制备的油墨层发热均匀、效果良好。
优选地，树脂选自松香树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种。所选树脂在导电油墨中扮演连接料的角色，在导电涂层中起到骨架作用，上述树脂成分及相应比例使得本发明的导电油墨具备了较好的流变性和成膜性。
优选地，助剂选自消泡剂和流平剂中的一种或多种。上述助剂能够改进涂料和油墨性能，保证了油墨成膜的质量，促进涂膜的形成，并使得形成的油墨层均匀、平整、不易起泡，从而利于施工。
优选地，溶剂选自异佛尔酮、三甲苯、四甲苯、环己酮和松节油中的一种或多种。上述溶剂在本发明的导电油墨中表现出优秀的溶解力和挥发性，利于施工。
优选地，石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂的质量比是28：3.5：3.5：35：20：0.6：9.4。
按照上述配方得到的高温烧结发热导电油墨通过丝网印刷或喷涂一次成型，可以方便地用于导电发热板的制作。如，将高温烧结发热导电油墨通过200目不锈钢网版在黑色微晶玻璃上面印出规格为130mm×135mm的长方形块；150℃烤10分钟，再在长方形块的表面沿宽度方向印刷出两条长130mm×宽8mm中间距离120mm的电极，150℃烤10分钟，然后600℃烧结10-15分钟；然后焊接银导线。这样，一个以该高温烧结发热导电油墨为材料的导电发热板被制成。该制作过程简单可控。
根据本发明的另一方面，提供一种高温烧结发热导电油墨的制备方法。该高温烧结发热导电油墨按照如下方法制备：
按照上述高温烧结发热导电油墨的配方称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂和助剂加入到溶剂中，充分搅拌，超声分散，研磨，过滤，得到高温烧结发热导电油墨。
优选地，超声分散操作的条件为：频率为20k到40k，功率为200w到 1000w，分散时间为2-24小时。
优选地，研磨操作分为两个步骤：(1)首先采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为2-48小时；(2)采用三辊机研磨由步骤(1)操作后获得的油墨浆料，至油墨浆料的细度达到15μm以下。
基于上述方式，制备得到了本发明的高温烧结发热导电油墨。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)该高温烧结发热导电油墨发热速度快，电能转化为热能效率高，与常见的银系导电油墨相比，可省电35％左右。
(2)该高温烧结发热导电油墨的电阻可以控制在5Ω-600Ω的范围内，其发热温度可以控制在30℃-530℃的范围内，因此该高温烧结发热导电油墨的电阻可控范围宽、发热可控温度范围宽。
(3)该高温烧结发热导电油墨具备远红外功能。
(4)在后期成膜时，该高温烧结发热导电油墨可通过丝网印刷或喷涂一次成型，过程简单可控，可以通过高温烧结(600℃)的方式附着在玻璃、陶瓷、搪瓷等基材上，适用范围广，在市场上有广阔的前景。
(5)由该高温烧结发热导电油墨制备得到的油墨层发热均匀、效果良好。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种高温烧结发热导电油墨。
该油墨包括如下组分：石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂，其中，石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂的质量比是(23-33)：(1.5-5.5)：(1.5-5.5)：(30-40)：(15-25)： (0.2-0.8)：(7.4-11.4)。
优选地，树脂选自松香树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种；优选地，助剂选自消泡剂和流平剂中的一种或多种；优选地，溶剂选自异佛尔酮、三甲苯、四甲苯、环己酮和松节油中的一种或多种；优选地，石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂的质量比是28：3.5：3.5：35：20：0.6：9.4。
基于上述方式，通过选用多种填料、树脂、助剂及溶剂作为原材料以及特定的配比后，得到高温烧结发热导电油墨。
制备方法如下：
按照上述高温烧结发热导电油墨的配方称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂和助剂加入到溶剂中，充分搅拌，超声分散，研磨，过滤，得到高温烧结发热导电油墨。
优选地，超声分散操作的条件为：频率为20k到40k，功率为200w到 1000w，分散时间为2-24小时。优选地，研磨操作分为两个步骤：(1)首先采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为 2-48小时；(2)采用三辊机研磨由步骤(1)操作后获得的油墨浆料，至油墨浆料的细度达到15μm以下。
具体实施例如下
为了简化描述，将实施例一至实施例五中高温烧结发热导电油墨的组分组成及比例列入表1。
表1.实施例一至实施例五中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例
相应实施例中高温烧结发热导电油墨的制备方法如下：
实施例一
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为30k，功率为600w，分散时间为12小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为12小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例二
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为20k，功率为200w，分散时间为24小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为48小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例三
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为40k，功率为1000w，分散时间为2小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为2小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例四
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为20k，功率为200w，分散时间为12小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为24小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例五
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为35k，功率为800w，分散时间为15小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为30小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例六
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为25k，功率为900w，分散时间为20小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为40小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例七
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为20k，功率为1000w，分散时间为12小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为10小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例八
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为40k，功率为200w，分散时间为10小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为36小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例九
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为28k，功率为500w，分散时间为20小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为32小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
实施例十
按照表1中高温烧结发热导电油墨的组分组成及质量比例称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、相应树脂和相应助剂加入到相应溶剂中，充分搅拌，超声分散，具体的，超声分散操作的条件为：频率为32k，功率为700w，分散时间为16小时；然后采用球磨机进行球磨，操作条件为球磨机的转速为2000转，球磨时间为18小时；接着采用三辊机研磨至油墨浆料的细度达到15μm以下，过滤，得到相应的高温烧结发热导电油墨。
性能测定
以实施例一的高温烧结发热导电油墨为材料制备发热板，进行性能测定。
发热板制备方法：将实施例一中的高温烧结发热导电油墨通过200目不锈钢网版在黑色微晶玻璃上面印出规格为130mm×135mm的长方形块； 150℃烤10分钟，再在长方形块的表面沿宽度方向印刷出两条长130mm×宽8mm中间距离120mm的电极，150℃烤10分钟，然后600℃烧结10-15 分钟；最后焊接银导线。
用VICYOR VC890D万用表测量电阻为52.6欧姆，表明由实施例一中的高温烧结发热导电油墨制备的发热板导电性优良。
发热板通电3分钟后，用GM1312测温器测定出发热板温度为520℃，表明由实施例一中的高温烧结发热导电油墨制备的发热板的发热速度快，发热效果优异。
另外，根据其它实施例中的高温烧结发热导电油墨的性能测定可知，本发明的高温烧结发热导电油墨的发热速度快，电能转化为热能效率高，与常见的银系导电油墨相比，可省电35％左右；本发明的高温烧结发热导电油墨的电阻可控范围为5Ω-600Ω，发热温度可控范围为30℃-530℃，具备远红外功能。同时，本发明的高温烧结发热导电油墨也可通过喷涂一次成型，通过高温烧结(600℃)附着在玻璃、陶瓷、搪瓷等基材上，适用范围广。
在上述实施例中，该高温烧结发热导电油墨中的各种组分组成及配比等参数仅用于示例和解释，本发明的方案并不限于上述具体的数值、具体的材料组合，上述所有实施例中的参数只要在权利要求书所述的范围内，均属于本发明的保护范围。
由上述实施例可知，本发明制备的高温烧结发热导电油墨电能转化为热效率高、发热速度快、电阻可控范围宽、发热可控温度范围宽，具备远红外功能，后期应用过程简单，适用范围广，因此具备广阔的市场前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温烧结发热导电油墨，其特征在于：所述油墨包括如下组分：石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂，其中，所述石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂的质量比是(23-33)：(1.5-5.5)：(1.5-5.5)：(30-40)：(15-25)：(0.2-0.8)：(7.4-11.4)。
2.如权利要求1所述的一种高温烧结发热导电油墨，其特征在于：所述树脂选自松香树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种高温烧结发热导电油墨，其特征在于：所述助剂选自消泡剂和流平剂中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种高温烧结发热导电油墨，其特征在于：所述溶剂选自异佛尔酮、三甲苯、四甲苯、环己酮和松节油中的一种或多种。
5.如权利要求1-4任一所述的一种高温烧结发热导电油墨，其特征在于：所述石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂、助剂和溶剂的质量比是28：3.5：3.5：35：20：0.6：9.4。
6.一种高温烧结发热导电油墨的制备方法，其特征在于：所述高温烧结发热导电油墨按照如下方法制备：
按照权利要求1-5任一所述高温烧结发热导电油墨的配方称取各组分；
将石墨烯、铜铬黑、电气石粉、玻璃粉、树脂和助剂加入到溶剂中，充分搅拌，超声分散，研磨，过滤，得到所述高温烧结发热导电油墨。
7.如权利要求6所述的一种高温烧结发热导电油墨的制备方法，其特征在于：所述超声分散操作的条件为：频率为20k到40k，功率为200w到1000w，分散时间为2-24小时。
8.如权利要求6所述的一种高温烧结发热导电油墨的制备方法，其特征在于：所述研磨操作分为两个步骤：(1)首先采用球磨机进行球磨，操作条件为所述球磨机的转速为2000转，球磨时间为2-48小时；(2)采用三辊机研磨由所述步骤(1)操作后获得的油墨浆料，至所述油墨浆料的细度达到15μm以下。
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