CN107578838A - 一种低成本可回收的导电浆料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低成本可回收的导电浆料，按重量百分比计，包括45％～80％液态金属导电粘结剂、12％～50％导电性增强材料、1％～5％分散剂润湿剂、0.5％～2％偶联剂、0.5％～2％附着力促进剂；其中所述液态金属为熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金、或是低熔点金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。本发明利用液态金属导电粘结剂替代替代不导电的高分子粘结剂和溶剂，在少量偶联剂和分散润湿剂协同作用下，少量添加导电增强填料均匀稳定的分散，形成具有高相容性和高分散稳定性的低成本导电浆料，体积电阻率达到3×10^‑5Ω·cm。

Description

一种低成本可回收的导电浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料领域，具体涉及一种可回收的导电浆料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电子信息技术的迅猛发展，电子设备不断向着微型化、智能化、环保和低成本的方向迈进，促使人们不断研究、开发并应用更为先进且经济的电子元器件制造技术。同时在新能源领域随着太阳能光伏产业的需求增加以及对光电转换效率要求的提高，高性能导电浆料是实现光伏太阳能扩大规模使用的关键材料之一。导电浆料作为一种具有特定功能的基础电子材料，在印制电路板、太阳能电池、RFID射频天线、触摸屏线路、柔性印刷电路等电子线路领域得到广泛应用，同时开发高性能低成本的导电浆料也引起了工业界和学术界的高度关注。传统的导电浆料一般由导电填料、高分子粘结剂、溶剂和其它助剂组成。其中导电填料是实现浆料功能的主要成分。高分子粘结剂并不导电，只是做为导电填料的载体，起到帮助导电填料连接和固定的作用。溶剂则是用来溶解粘结剂，并提供足够的流动性保证导电填料均匀分散，同时调节粘度，并保证导电浆料流动成膜。

目前，为了满足高端电子产品和太阳能电池板等对浆料的高导电性的要求，往往需要在高分子粘结剂中添加大量的金、银、铂等贵金属填料，往往添加量占总固含量的60-90％，高含量的导电微粒不仅大大提高了制备成本，同时降低了粘结剂的含量，导致固化性能和粘结强度下降，电子线路表面粗糙等问题。目前国内企业在高性能导电浆料开发的技术上还不是很成熟，绝大多数都依赖进口国外产品。此外，现有的导电浆料大量的使用了贵金属材料，这些材料一旦使用后难以实现回收再利用，即会造成环境污染又不利于资源的循环利用。

综合上述分析，针对现有导电浆料成本高且不可回收再利用的缺点，特提出本发明。

发明内容

针对本领域现有的低成本导电浆料导电性能不理想，高性能导电浆料成本过高的问题，以及现有导电浆料中无可避免的因使用溶剂而造成环境污染、使用安全性低、存在火灾和爆炸隐患、无法回收重复利用的缺陷，本发明旨在提供一种可回收、高导电的导电浆料；

本发明的另一目的是提出所述导电浆料的制备方法。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种低成本可回收的导电浆料，按重量百分比计，包括45％～80％液态金属导电粘结剂、12％～50％导电性增强材料、1％～5％分散剂润湿剂、0.5％～2％偶联剂、0.5％～2％附着力促进剂；

其中所述液态金属为熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金、或是低熔点金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。

其中，所述液态金属为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、锰、钛、钒中的一种的单质或由多种形成的合金，所述合金中含有0～30％的非金属成分，所述非金属成分为硼、碳、硅中的一种或多种，

优选地，所述的液态金属为汞、镓、铟、锡中的一种的单质，或为镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓铝合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、锡铝合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种。

更优选地，所述液态金属为镓、铟、锡、铋、铝、锌中的两种或三种金属形成的合金，每种金属质量占所述电磁屏蔽涂层材料质量的15～50％。

本发明优选用二元或三元合金，以实现施工性的提高和成本的降低，二元或三元的合金也利于调整熔点。

其中，所述的导电性增强材料为金粉、铂粉、银粉、铜粉、镍粉、导电炭黑、导电石墨、碳纳米管、镍包石墨粉、银包铜粉、银包镍粉中的一种或几种，

所述的导电性增强材料的粒径在1nm～100μm；优选为10nm～50μm。

其中，所述的分散润湿剂包括非离子型小分子分散剂、非离子型高分子分散剂、阴离子型分散剂、阳离子型分散剂中的一种或几种。

其中，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种。

其中，所述的附着力促进剂为碳纤维、银纤维、铜纤维、银包铜纤维、石墨、石墨烯、碳纳米管、气凝胶粉、中空微球、陶瓷微球、海泡石、闭孔膨胀珍珠岩、蛭石、硅酸钾晶须中的一种或几种。

本发明所述的导电浆料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：液态金属粘结剂的熔炼，液态金属原料在氢气或一氧化碳气体条件下利用还原炉进行还原处理，去除原料表面的氧化物，按比例称量还原处理后的原料，放入真空熔炼炉或气氛炉内进行熔炼，熔炼好的合金液体在真空炉或气氛炉内浇注成锭或灌装到容器中备用。

步骤2：根据配比称量熔炼好的液态金属粘结剂，加入到带惰性气体保护的容器内，加热至所述液态金属熔点以上10℃～200℃，保温10min～30min，然后向其中缓慢加入导电性增强材料，再加入润湿剂、偶联剂、附着促进剂，混合均匀后，将混合物转移到带有惰性气体保护的研磨设备中研磨；

步骤3：将研磨后的导电浆料过滤后，在惰性气体保护下灌注于容器中。

进一步地，步骤2中，加入导电性增强材料后，自然冷却后加入润湿剂、偶联剂、附着促进剂，在1500～2000r/min转速下混合1～2h，将混合物转移到带有惰性气体保护的卧式砂磨机中，以氧化锆颗粒为研磨介质在4000～5000r/min条件下研磨3～5h。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、利用液态金属导电粘结剂替代替代不导电的高分子粘结剂和溶剂，在少量偶联剂和分散润湿剂协同作用下，少量添加导电增强填料均匀稳定的分散，形成具有高相容性和高分散稳定性的低成本导电浆料，体积电阻率达到3×10^-5Ω·cm。

2、在上述低成本导电浆料基础上，通过进一步增加导电增强填料的用量，得到兼具相对低成本和极高导电性能的浆料，体积电阻率达到9×10^-6Ω·cm

3、解决了传统导电浆料价格高、性能不稳定、含有大量溶剂不环保、施工安全性低、存在火灾和爆炸隐患的问题。具有成膜速度快，安全环保、施工方便、成本低廉的特点。

4、开发了可回收利用的导电浆料，解决现有导电浆料无法循环使用的缺点。实现导电浆料在塑料、硅晶体、橡胶、陶瓷、纸张表面的有效润湿和附着。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不应用来限制本发明的范围。

如无特别说明，实施例中使用的手段均为本领域常规的手段。

实施例1

本实施例低成本可回收的高导电浆料的配方组成如下表所示：

本导电浆料的制备方法为：

步骤1：液态金属导电粘结剂的熔炼，液态金属原料(单质镓、单质铟)分别在氢气保护条件下利用还原炉进行还原处理，去除原料表面的氧化物。按比例取样称量还原处理后的两种原料，一起放入真空熔炼炉或气氛炉内进行熔炼。熔炼好的合金液体在真空炉或气氛炉内浇注成锭或灌装到容器中备用。

步骤2：根据配比称量上述液态金属导电粘结剂，加入到带惰性气体保护的容器内，加热直至其熔点以上10℃～200℃(加热温度150℃)，保温30min，向其中缓慢加入已经称量好的导电性增强材料，自然冷却后加入润湿剂、偶联剂、附着促进剂，在2000r/min转速下混合2h，确保导电增强材料能均匀分散在液态金属导电粘结剂中，将混合物转移到带有惰性气体保护的卧式砂磨机中，以氧化锆颗粒为研磨介质在5000r/min条件下研磨3h。

步骤3：将研磨后的导电浆料过滤后利用自动灌装机在惰性气体保护下灌注于容器中。

实施例2

一种低成本可回收的高导电浆料的配方组成如下表所示：

制备的步骤2中，根据配比称量熔炼好的液态金属导电粘结剂，加入到带惰性气体保护的容器内，加热直至其熔点以上10℃～200℃(加热温度为230℃)。研磨时间为3.5h(导电增强材料用量多，粒径稍大，要多研磨约0.5h)。其他操作同实施例1。

实施例3

一种低成本可回收的高导电浆料的配方组成如下表所示：

表中分散润湿剂为BYK-190，非离子型高分子分散剂。

本实施例中使用银粉作为导电增强材料，银粉具有导电性好，抗氧化性强的特点，在分散及研磨等加工过程中，不容易因形成大量氧化物而使得导电性下降，与锡、铝共同形成的导电通路界面间接触电阻小。此外，本发明中使用的银粉具有球形度高、粒径分布均匀的特点，因此容易均匀分散，显著地减少不导电的分散润湿剂和偶联剂的用量；兼之作为附着力促进剂的石墨烯的导电性比较好，本实施例材料导电性更好。

实施例4

本实施例与实施例3的区别在于导电填料采用镍粉(粒径D50为500nm)，附着力促进剂采用碳纤维。

实施例5

一种低成本可回收的高导电浆料的配方组成如下表所示：

实施例6

一种低成本可回收的高导电浆料的配方组成如下表所示：

表中阴离子型分散润湿剂为十二烷基苯磺酸钠。

实施例7

本实施例低成本可回收的高导电浆料的配方组成如下表所示：

对比例1为美国埃奇森公司的Electrodag427ss，对比例2为日本DOTITE XA 436导电银浆。

性能试验

将上述实施例和对比例分别在聚酯薄膜上涂刷，制备平均厚度为25微米的样板，测试其导电性结果如下：

表1性能测试结果

从上表的对比数据可以看到，本发明实施例中描述的高导电浆料体积电阻率低于市售产品的指标，对应导电性具备明显优势。此外，本发明实施例中的电磁屏蔽涂层材料可挥发性有机物含量远低于对比例，表明本发明电磁屏蔽涂层材料具有更好的环保性。

虽然，上文中已经本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低成本可回收的导电浆料，其特征在于，按重量百分比计，包括45％～80％液态金属导电粘结剂、12％～50％导电性增强材料、1％～5％分散剂润湿剂、0.5％～2％偶联剂、0.5％～2％附着力促进剂；

其中所述液态金属为熔点在300摄氏度以下的低熔点金属或合金、或是低熔点金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。

2.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述液态金属为镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、钠、钾、镁、铝、铁、钴、锰、钛、钒中的一种的单质或由多种形成的合金，所述合金中含有0～30％的非金属成分，所述非金属成分为硼、碳、硅中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的导电浆料，其特征在于，所述的液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓铝合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、锡铝合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种。

4.根据权利要求3所述的导电浆料，其特征在于，所述液态金属为镓、铟、锡、铋、铝、锌中的两种或三种金属形成的合金，每种金属质量占所述电磁屏蔽涂层材料质量的15～50％。

5.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述的导电性增强材料为金粉、铂粉、银粉、铜粉、镍粉、导电炭黑、导电石墨、碳纳米管、镍包石墨粉、银包铜粉、银包镍粉中的一种或几种，

所述的导电性增强材料的粒径在1nm～100μm；优选为10nm～50μm。

6.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述的分散润湿剂包括非离子型小分子分散剂、非离子型高分子分散剂、阴离子型分散剂、阳离子型分散剂中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种。

8.根据权利要求1～7任一项所述的导电浆料，其特征在于，所述的附着力促进剂为碳纤维、银纤维、铜纤维、银包铜纤维、石墨、石墨烯、碳纳米管、气凝胶粉、中空微球、陶瓷微球、海泡石、闭孔膨胀珍珠岩、蛭石、硅酸钾晶须中的一种或几种。

9.权利要求1～8任一项所述的导电浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：液态金属粘结剂的熔炼，液态金属原料在氢气或一氧化碳气体条件下利用还原炉进行还原处理，去除原料表面的氧化物，按比例称量还原处理后的原料，放入真空熔炼炉或气氛炉内进行熔炼，熔炼好的合金液体在真空炉或气氛炉内浇注成锭或灌装到容器中备用；

步骤2：根据配比称量熔炼好的液态金属粘结剂，加入到带惰性气体保护的容器内，加热至所述液态金属熔点以上10℃～200℃，保温10min～30min，然后向其中缓慢加入导电性增强材料，再加入润湿剂、偶联剂、附着促进剂，混合均匀后，将混合物转移到带有惰性气体保护的研磨设备中研磨。

步骤3：将研磨后的导电浆料过滤后，在惰性气体保护下灌注于容器中。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，加入导电性增强材料后，自然冷却后加入润湿剂、偶联剂、附着促进剂，在1500～2000r/min转速下混合1～2h，将混合物转移到带有惰性气体保护的卧式砂磨机中，以氧化锆颗粒为研磨介质在4000～5000r/min条件下研磨3～5h。