CN108541135B - 耐腐蚀高导电的铜基导电线路及其成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及触摸屏技术领域，尤其涉及耐腐蚀高导电的铜基导电线路及其成型工艺，铜基导电线路从内至外包括铜基底层、高分子导电中间层和石墨烯外层，铜基底层为掺铜二氧化钛底层，采用压电式喷头向基材上依次喷射铜基导电油墨、高分子导电油墨和石墨烯油墨，固化形成导电线路。本发明通过高分子导电中间层使铜基底层与空气隔绝，避免氧化腐蚀，采用石墨烯外层对高分子导电中间层进行覆盖保护，避免高分子导电中间层老化，形成的铜基导电线路导电性较佳，能够有效避免氧化腐蚀，延长其使用寿命。

Description

耐腐蚀高导电的铜基导电线路及其成型工艺
技术领域
本发明涉及触摸屏技术领域，尤其涉及耐腐蚀高导电的铜基导电线路及其成型工艺。
背景技术
触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。
作为制约触摸屏技术发展的关键材料之一的导电油墨，是目前国内外研究的热点和难点。导电油墨是导电体、粘接剂、溶剂和助剂等通过特定的配方和分散手段形成溶液或悬浮液，达到规定的分散性、粘度、表面张力、固含量等物化性能指标，以适应印刷或涂布工艺的要求。导电油墨在烧结固化过程中，挥发性溶剂挥发，体积收缩，填料颗粒与连结剂紧密的连接在一起，颗粒相互之间间距变小，在外电场作用下能形成电流，实现导电功能。
无机导电油墨具有可靠性高、储存性能高、稳定性好等优点，已被广泛应用于集成电路、RFID、线路板、薄膜开关等电子产品，是最近几年研发的热点。根据导电材料的类型，无机导电油墨可具体分为金系、银系、铜系、碳系导电油墨。金系导电油墨的各种性能都很优良，但其价格昂贵，使用受到很大程度的限制，应用仅局限于厚膜集成电路等有特殊要求的产品；银粉具有良好的高导电性能和化学稳定性，银系导电油墨的导电性稍低于金系，但应用范围广，可大量用于可靠性高的电器电路的印刷，但是银系存在电子易迁移的问题；铜系导电油墨性价比高，但铜粉易氧化、腐蚀，从而提高了电阻率，降低了触摸屏的品质。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供耐腐蚀高导电的铜基导电线路及其成型工艺，通过高分子导电中间层使铜基底层与空气隔绝，避免氧化腐蚀，采用石墨烯外层对高分子导电中间层进行覆盖保护，避免高分子导电中间层老化，形成的铜基导电线路导电性较佳，能够有效避免氧化腐蚀，延长其使用寿命。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
耐腐蚀高导电的铜基导电线路，所述导电线路从内至外包括铜基底层、高分子导电中间层和石墨烯外层，所述铜基底层为掺铜二氧化钛底层。
进一步，所述铜基底层中铜与二氧化钛的质量比为0.8～1.2:1，所述二氧化钛是排列有序的二氧化钛纳米管阵列，所述二氧化钛的管径为70～80nm。
进一步，所述高分子导电中间层是以微晶纤维素、吡咯为主要原料形成的具有半互穿网络结构的纤维素基导电薄膜。
本发明还公开了上述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：
基材清洗：取基材先后进行中性水洗、非接触AP清洗后，在基材上绘出导电线路图形；
铜基导电底层的形成：采用喷嘴上加装有压电陶瓷的压电式喷头，向基材上喷射铜基导电油墨，沿着导电线路图形喷射两次，随后置于70～75℃烘烤3min，再进行闪光烧结，形成铜基导电底层；
高分子导电中间层的形成：采用压电式喷头向基材上喷射高分子导电油墨，沿着铜基导电底层喷射一次，随后置于55～60℃烘烤5min，形成高分子导电中间层；
石墨烯外层的形成：继续采用压电式喷头向基材上喷射石墨烯油墨，沿着高分子导电中间层喷射两次，随后置于55～60℃烘烤5min，形成石墨烯外层，即在基材上形成导电线路。
进一步，所述铜基导电油墨包括以下原料：掺铜二氧化钛45～55wt％、木质素磺酸钠2～5wt％、海藻酸钠0.5～1.0wt％、异丙醇溶液余量。
进一步，所述掺铜二氧化钛是以有序二氧化钛纳米管、硫酸铜为主要原料，在用紫外线灯照射下复合制得。
进一步，所述高分子导电油墨是将微晶纤维素溶解于氯化-1-丁基-三甲基咪唑中，并以N,N-亚甲基双丙酰胺作为交联剂形成的纤维素水凝胶，再加入吡咯搅拌混匀，调节pH＝6.1～6.5，-2～2℃反应得到高分子导电油墨。
进一步，所述石墨烯油墨包括石墨烯50～55wt％、海藻酸钠0.5～1.0wt％、二甲基硅油0.5～1.0wt％、异丙醇溶液余量。
进一步，所述石墨烯是羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯。
闪灯烧结是利用宽光谱、高能量的脉冲光对纳米墨水或者导电浆料进行烧结，能够在毫秒的时间范围内使得纳米粒子吸收能量后局部或者完全熔合，从而减少铜粒子之间的间隙，在一定程度上降低了导电线路的电阻，提高了导电性。
本发明将铜负载在二氧化钛纳米管阵列的空隙中，可以对铜进行初步保护，避免铜氧化，二氧化钛纳米管阵列中的有序孔有利于铜的负载和铜粒子之间的相互接触连接，降低电阻；再在铜基底层上形成高分子导电中间层，再次将铜与空气隔绝，避免氧化腐蚀；高分子导电中间层中的高分子长时间暴露在空气中，可能会产生老化问题，因此本发明在高分子导电中间层上在覆盖了石墨烯层，避免高分子导电中间层老化，进一步降低电阻，提高导电性。本发明的铜基导电线路导电性较佳，能够有效避免氧化腐蚀，延长其使用寿命。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：
本发明的耐腐蚀高导电的铜基导电线路从内至外包括铜基底层、高分子导电中间层和石墨烯外层，其中，铜基底层为掺铜二氧化钛底层，铜基底层中铜与二氧化钛的质量比为0.8～1.2:1，二氧化钛是排列有序的二氧化钛纳米管阵列，且二氧化钛的管径为70～80nm，高分子导电中间层是以微晶纤维素、吡咯为主要原料形成的具有半互穿网络结构的纤维素基导电薄膜。
实施例一
掺铜二氧化钛的制备：将钛箔经水砂纸打磨至表面光滑后，先后置于丙酮、去离子水和抛光溶液中进行清洗，以除去表面的自然氧化物及其他杂质，然后将钛箔与阳极连接，铂电极为阴极，置于400mL乙二醇电解液中，乙二醇电解液中含有质量分数为2％的去离子水和0.3％的氟化铵，在电液6V下反应2h，干燥得到有序二氧化钛纳米管阵列。取0.5mol/L的硫酸铜溶液，加入4g二氧化钛纳米管阵列，在恒温搅拌器上搅拌20min，得到的淡蓝色悬浊液移入紫外循环系统中搅拌5h，得到灰色悬浊液，将灰色悬浊液进行抽滤，真空干燥得到掺铜二氧化钛，其中铜与二氧化钛的质量比为0.8:1。
铜基导电油墨的制备：取以下重量百分数的原料：掺铜二氧化钛45wt％、木质素磺酸钠2wt％、海藻酸钠0.5wt％、异丙醇溶液余量。将掺铜二氧化钛、木质素磺酸钠、海藻酸钠加入异丙醇溶液中混匀，即得到铜基导电油墨。
高分子导电油墨的制备：取一定量的微晶纤维素溶解于氯化-1-丁基-3-甲基咪唑中，通入氮气，并恒温100℃保存12h，然后加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过氧苯甲酰，于80℃油浴条件下反应24h，交联得到微晶纤维素水凝胶，将水凝胶取出，置于开有小孔的塑料杯中，浸入去离子水中，磁力搅拌，每12h换一次水，直到凝胶透明，得到纯微晶纤维素凝胶。将纯微晶纤维素凝胶浸泡在浓度为0.5mol/L的氯化铁和对甲苯磺酸钠混合溶液中，浸泡1天，以达到溶胀平衡，拭去表面多余的溶液，然后将凝胶浸入0.15mol/L的吡咯水溶液中，加入一定量的盐酸溶液调节pH＝6.1，于-2～2℃反应6h，得到高分子导电油墨。
石墨烯油墨的制备：取以下质量百分比的原料：羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯52wt％、海藻酸钠0.8wt％、二甲基硅油0.8wt％、异丙醇溶液余量，将羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯、海藻酸钠、二甲基硅油加入异丙醇溶液中搅拌混匀，得到墨烯油墨。
本实施例的铜基导电线路的成型工艺包括以下步骤：
基材清洗：取基材先后进行中性水洗、非接触AP清洗后，在基材上绘出导电线路图形；
铜基导电底层的形成：采用喷嘴上加装有压电陶瓷的压电式喷头，向基材上喷射铜基导电油墨，沿着导电线路图形喷射两次，随后置于70～75℃烘烤3min，再进行闪光烧结，形成铜基导电底层；
高分子导电中间层的形成：采用压电式喷头向基材上喷射高分子导电油墨，沿着铜基导电底层喷射一次，随后置于55℃烘烤5min，形成高分子导电中间层；
石墨烯外层的形成：继续采用压电式喷头向基材上喷射石墨烯油墨，沿着高分子导电中间层喷射两次，随后置于55℃烘烤5min，形成石墨烯外层，即在基材上形成导电线路。
实施例二
掺铜二氧化钛的制备：将钛箔经水砂纸打磨至表面光滑后，先后置于丙酮、去离子水和抛光溶液中进行清洗，以除去表面的自然氧化物及其他杂质，然后将钛箔与阳极连接，铂电极为阴极，置于400mL乙二醇电解液中，乙二醇电解液中含有质量分数为2％的去离子水和0.3％的氟化铵，在电液4V下反应2h，干燥得到有序二氧化钛纳米管阵列。取0.5mol/L的硫酸铜溶液，加入5g二氧化钛纳米管阵列，在恒温搅拌器上搅拌20min，得到的淡蓝色悬浊液移入紫外循环系统中搅拌5h，得到灰色悬浊液，将灰色悬浊液进行抽滤，真空干燥得到掺铜二氧化钛，其中铜与二氧化钛的质量比为1:1。
铜基导电油墨的制备：取以下重量百分数的原料：掺铜二氧化钛50wt％、木质素磺酸钠2wt％、海藻酸钠1.0wt％、异丙醇溶液余量。将掺铜二氧化钛、木质素磺酸钠、海藻酸钠加入异丙醇溶液中混匀，即得到铜基导电油墨。
高分子导电油墨的制备：取一定量的微晶纤维素溶解于氯化-1-丁基-3-甲基咪唑中，通入氮气，并恒温100℃保存12h，然后加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过氧苯甲酰，于80℃油浴条件下反应26h，交联得到微晶纤维素水凝胶，将水凝胶取出，置于开有小孔的塑料杯中，浸入去离子水中，磁力搅拌，每12h换一次水，直到凝胶透明，得到纯微晶纤维素凝胶。将纯微晶纤维素凝胶浸泡在浓度为0.5mol/L的氯化铁和对甲苯磺酸钠混合溶液中，浸泡1天，以达到溶胀平衡，拭去表面多余的溶液，然后将凝胶浸入0.15mol/L的吡咯水溶液中，加入一定量的盐酸溶液调节pH＝6.5，于-2～2℃反应5h，得到高分子导电油墨。
石墨烯油墨的制备同实施例一。
本实施例的铜基导电线路的成型工艺同实施例一。
实施例三
掺铜二氧化钛的制备：将钛箔经水砂纸打磨至表面光滑后，先后置于丙酮、去离子水和抛光溶液中进行清洗，以除去表面的自然氧化物及其他杂质，然后将钛箔与阳极连接，铂电极为阴极，置于400mL乙二醇电解液中，乙二醇电解液中含有质量分数为2％的去离子水和0.3％的氟化铵，在电液8V下反应2h，干燥得到有序二氧化钛纳米管阵列。取0.5mol/L的硫酸铜溶液，加入6g二氧化钛纳米管阵列，在恒温搅拌器上搅拌20min，得到的淡蓝色悬浊液移入紫外循环系统中搅拌5h，得到灰色悬浊液，将灰色悬浊液进行抽滤，真空干燥得到掺铜二氧化钛，其中铜与二氧化钛的质量比为1.2:1。
铜基导电油墨的制备同实施例二。
高分子导电油墨的制备同实施例二。
石墨烯油墨的制备：取以下质量百分比的原料：羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯50wt％、海藻酸钠0.5wt％、二甲基硅油0.5wt％、异丙醇溶液余量，将羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯、海藻酸钠、二甲基硅油加入异丙醇溶液中搅拌混匀，得到墨烯油墨。
本实施例的铜基导电线路的成型工艺包括以下步骤：
基材清洗：取基材先后进行中性水洗、非接触AP清洗后，在基材上绘出导电线路图形；
铜基导电底层的形成：采用喷嘴上加装有压电陶瓷的压电式喷头，向基材上喷射铜基导电油墨，沿着导电线路图形喷射两次，随后置于70～75℃烘烤3min，再进行闪光烧结，形成铜基导电底层；
高分子导电中间层的形成：采用压电式喷头向基材上喷射高分子导电油墨，沿着铜基导电底层喷射一次，随后置于60℃烘烤5min，形成高分子导电中间层；
石墨烯外层的形成：继续采用压电式喷头向基材上喷射石墨烯油墨，沿着高分子导电中间层喷射两次，随后置于60℃烘烤5min，形成石墨烯外层，即在基材上形成导电线路。
实施例四
掺铜二氧化钛的制备同实施例三。
铜基导电油墨的制备：取以下重量百分数的原料：掺铜二氧化钛55wt％、木质素磺酸钠5wt％、海藻酸钠1.0wt％、异丙醇溶液余量。将掺铜二氧化钛、木质素磺酸钠、海藻酸钠加入异丙醇溶液中混匀，即得到铜基导电油墨。
高分子导电油墨的制备：取一定量的微晶纤维素溶解于氯化-1-丁基-3-甲基咪唑中，通入氮气，并恒温100℃保存12h，然后加入交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂过氧苯甲酰，于80℃油浴条件下反应20h，交联得到微晶纤维素水凝胶，将水凝胶取出，置于开有小孔的塑料杯中，浸入去离子水中，磁力搅拌，每10h换一次水，直到凝胶透明，得到纯微晶纤维素凝胶。将纯微晶纤维素凝胶浸泡在浓度为0.5mol/L的氯化铁和对甲苯磺酸钠混合溶液中，浸泡1天，以达到溶胀平衡，拭去表面多余的溶液，然后将凝胶浸入0.15mol/L的吡咯水溶液中，加入一定量的盐酸溶液调节pH＝6.5，于-2～2℃反应8h，得到高分子导电油墨。
石墨烯油墨的制备：取以下质量百分比的原料：羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯55wt％、海藻酸钠1.0wt％、二甲基硅油1.0wt％、异丙醇溶液余量，将羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯、海藻酸钠、二甲基硅油加入异丙醇溶液中搅拌混匀，得到墨烯油墨。
本实施例的铜基导电线路的成型工艺同实施例三。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.耐腐蚀高导电的铜基导电线路，其特征在于，所述导电线路从内至外包括铜基底层、高分子导电中间层和石墨烯外层，所述铜基底层为掺铜二氧化钛底层，所述高分子导电中间层是以微晶纤维素、吡咯为主要原料形成的具有半互穿网络结构的纤维素基导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路，其特征在于，所述铜基底层中铜与二氧化钛的质量比为0.8～1.2:1，所述二氧化钛是排列有序的二氧化钛纳米管阵列，所述二氧化钛的管径为70～80nm。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：
基材清洗：取基材先后进行中性水洗、非接触等离子体清洗后，在基材上绘出导电线路图形；
铜基导电底层的形成：采用喷嘴上加装有压电陶瓷的压电式喷头，向基材上喷射铜基导电油墨，沿着导电线路图形喷射两次，随后置于70～75℃烘烤3min，再进行闪光烧结，形成铜基导电底层；
高分子导电中间层的形成：采用压电式喷头向基材上喷射高分子导电油墨，沿着铜基导电底层喷射一次，随后置于55～60℃烘烤5min，形成高分子导电中间层；
石墨烯外层的形成：继续采用压电式喷头向基材上喷射石墨烯油墨，沿着高分子导电中间层喷射两次，随后置于55～60℃烘烤5min，形成石墨烯外层，即在基材上形成导电线路。
4.根据权利要求3所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，所述铜基导电油墨包括以下原料：掺铜二氧化钛45～55wt％、木质素磺酸钠2～5wt％、海藻酸钠0.5～1.0wt％、异丙醇溶液余量。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，所述掺铜二氧化钛是以有序二氧化钛纳米管、硫酸铜为主要原料，在用紫外线灯照射下复合制得。
6.根据权利要求5所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，所述高分子导电油墨是将微晶纤维素溶解于氯化-1-丁基-三甲基咪唑中，并以N,N-亚甲基双丙酰胺作为交联剂形成的纤维素水凝胶，再加入吡咯搅拌混匀，调节pH＝6.1～6.5，-2～2℃反应得到高分子导电油墨。
7.根据权利要求6所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，所述石墨烯油墨包括石墨烯50～55wt％、海藻酸钠0.5～1.0wt％、二甲基硅油0.5～1.0wt％、异丙醇溶液余量。
8.根据权利要求7所述的耐腐蚀高导电的铜基导电线路的成型工艺，其特征在于，所述石墨烯是羧基化改性疏松片状堆叠的石墨烯。
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