CN110551421A

CN110551421A - 一种碳系导电油墨及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110551421A
Application number: CN201910969730.5A
Authority: CN
Inventors: 钟云飞; 谢智晖; 崔子杰; 刘丹飞; 游诗英; 肖宁育; 李溢豪
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2019-12-10

Abstract

本发明公开了一种碳系导电油墨及其制备方法和应用，碳系导电油墨由以下原材料组成：导电填料、分散剂、连接料、消泡剂和溶剂，所述导电填料为导电炭黑和石墨烯的混合物，所述分散剂为微纤化纤维素分散液。本发明使用导电性能优异的石墨烯和导电炭黑混合，共同作为导电填料使得油墨的导电性得到提高，导电性能稳定，可应用于印制RFID标签。本发明的制备过程对设备的要求较低，工艺过程简单，适合工业化生产。

Description

一种碳系导电油墨及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及导电油墨技术领域，更具体地，涉及一种碳系导电油墨及其制备方法和应用。

背景技术

碳系导电油墨是一种填充型的热固性复合材料，碳系导电填料有石墨烯、导电炭黑、碳纳米管等，由于碳系导电油墨以其具有高电导率、优机械强度、轻质量和低成本等优良性能，目前已经广泛应用于电子标签印刷、印制印刷线路板、电子开关薄膜开关、传统包装等领域。传统碳系导电油墨主要以炭黑、石墨、碳纤维及其混合物为导电填料。因成本低廉、功能稳定、性价比高等优点，在薄膜开关、柔性电路、医疗电子、通信设备和电磁屏蔽等领域应用宽广。

新型碳系导电油墨主要以石墨烯和碳纳米管作为导电填料。碳纳米管和石墨烯作为导电填料可用于制备新型导电油墨，新型碳系导电油墨有着更高的电导率、更优的机械强度、更轻的重量和较低的成本。在导电油墨制备过程中需要使用相当比例的稀释溶剂才能使导电填料均匀分散在油墨中，有机溶剂对环境和印刷操作者身体危害性较大；同时常规的分散剂对导电填料的分散效果有限，导致制备的油墨稳定性差。

新型碳系功能材料碳纳米管和石墨烯以及新型复合材料的导电油墨成为了当今研究者的新的研究和应用热点。随着印制电子行业的兴起，新型碳系导电填料碳纳米管和石墨烯的出现，使得导电油墨的种类变得更为广泛，性能也随之研究而有着一定的提高，应用场合也得到更多的拓展，给印刷电子行业迎来了更好的生机和更多的增长点，所以对新型碳系导电油墨的配制的研究，对导电油墨性能进行测量和其印刷适性进行的研究，对于其使用具有十分重要的意义。因此，研发性能更好的碳系导电油墨具有更广的研究前景和市场价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种碳系导电油墨，以石墨烯和导电炭黑作为导电填料，提高了油墨的导电性能。

本发明的另一目的在于，提供上述碳系导电油墨的制备方法。

办发明还有一目的在于，提供上述碳系导电油墨在印制RFID标签方面的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种碳系导电油墨，由以下原材料组成：导电填料、分散剂、连接料、消泡剂和溶剂，所述导电填料为导电炭黑和石墨烯的混合物，所述分散剂为微纤化纤维素分散液。

进一步地，所述原材料质量百分比如下：导电填料：18～24％，分散剂：36～42％，连接料：2～6％，消泡剂：1％，溶剂27～43％。

进一步地，所述导电填料中导电炭黑和石墨烯以任意比例混合。

进一步地，所述微纤化纤维素分散液中纤维素含量为3～5wt％。

进一步的，所述微纤化纤维素分散液的制备方法为：将微纤化纤维素按比例溶于去离子水中搅拌均匀。

进一步地，所述连接料为聚氨酯树脂。

进一步地，所述溶剂为去离子水、无水乙醇、丙三醇的任意一种或几种。

一种上述碳系导电油墨的制备方法，包括以下步骤：

S1.将分散液与溶剂在反应容器中充分混合，再边搅拌边加入石墨烯粉末，待其充分溶解后，使用数显电动搅拌器搅拌后静置；

S2.将连接料和消泡剂加入反应容器中，搅拌使其充分溶解，然后使用集热式磁力搅拌器搅拌后静置；

S3.将导电炭黑加入反应容器中，使用集热式磁力搅拌器搅拌均匀，经研磨后得碳系导电油墨。

进一步地，步骤S1中所述数显电动搅拌器的搅拌速度为600～650r/min，搅拌时间为1h。

进一步地，步骤S2中所述集热式磁力搅拌器搅拌的水浴温度为45℃，搅拌速度为480～500r/min。

一种上述碳系导电油墨在印制RFID标签方面的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以微纤化纤维素分散液作为分散剂，纤维素表面的磺酸基提高了纤维素的亲水性能，使其更好地分散在去离子水中，稳定性好；同时纤维素对石墨烯和导电炭黑具有一定的吸附作用，石墨烯和导电炭黑随着微纤化纤维素均匀分散在油墨中，油墨性能稳定，且减少了醇类物质的使用量，更加环保。

本发明使用导电性能优异的石墨烯和导电炭黑混合，共同作为导电填料使得油墨的导电性得到提高，导电性能稳定。本发明的制备过程对设备的要求较低，工艺过程简单，适合工业化生产。

附图说明

图1为碳系导电油墨印刷于RFID基体表面图形。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明中所用原料供应商具体如下：

(1)石墨烯来源于杭州智钛净化科技有限公司，规格是高纯。

(2)导电炭黑来源于上海复纳新材料科技有限公司，规格是LZ80-85。

(3)聚氨酯树脂来源于深圳市吉田化工有限公司。

(4)无水乙醇来源于湖南汇虹试剂有限公司，规格是分析纯。

(5)丙三醇来源于天津市致远化学试剂有限公司，规格是分析纯。

本发明所用的微纤化纤维素采用磺化反应制备而成，具体地，微纤化纤维素的制备过程如下：

Q1.以漂白硫酸盐浆为原料，在55℃下，将原料加入到浓度为30mM的高碘酸钠水溶液中反应3h；

Q2.将步骤Q1中反应完成后的溶液过滤洗涤得到氧化纤维素，并测定氧化纤维素中醛基含量；

Q3.用两倍于醛基含量的亚硫酸氢钠在室温下将氧化纤维素还原得到本发明所使用的微纤化纤维素。

将微纤化纤维素按比例溶解在去离子水中，经电动搅拌器搅拌均匀后，即得微纤化纤维素分散液。

实施例1

本实施例提供一种碳系导电油墨的制备方法，所用原材料质量百分比为：聚氨酯树脂2％、丙三醇5％、无水乙醇2％、去离子水30％、消泡剂1％、导电炭黑10％、石墨烯8％、浓度为5wt％的微纤化纤维素分散液42％；具体步骤如下：

S1.将分散液与溶剂在反应容器中充分混合，再边搅拌边加入石墨烯粉末，待其充分溶解后，使用数显电动搅拌器搅拌，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为1小时，随后静置两小时；

S2.将连接料和消泡剂加入反应容器中，搅拌使其充分溶解，然后使用集热式磁力搅拌器搅拌，搅拌过程中水浴温度为45℃，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为30min，然后静置；

S3.将导电炭黑加入反应容器中，使用集热式磁力搅拌器搅拌均匀，搅拌速度为700r/min，搅拌时间为1小时，经研磨后得碳系导电油墨。

实施例2

本实施例提供一种碳系导电油墨的制备方法，所用原材料质量百分比为：聚氨酯树脂6％、丙三醇15％、无水乙醇2％、去离子水10％、消泡剂1％、导电炭黑12％、石墨烯12％、浓度为5wt％的微纤化纤维素分散液42％；具体步骤如下：

S1.将分散液与溶剂在反应容器中充分混合，再边搅拌边加入石墨烯粉末，待其充分溶解后，使用数显电动搅拌器搅拌，搅拌速度为650r/min，搅拌时间为1小时，随后静置两小时；

S2.将连接料和消泡剂加入反应容器中，搅拌使其充分溶解，然后使用集热式磁力搅拌器搅拌，搅拌过程中水浴温度为45℃，搅拌速度为480r/min，搅拌时间为30min，然后静置；

S3.将导电炭黑加入反应容器中，使用集热式磁力搅拌器搅拌均匀，搅拌速度为650r/min，搅拌时间为1小时，经研磨后得碳系导电油墨。

实施例3

本实施例提供一种碳系导电油墨的制备方法，所用原材料质量百分比为：聚氨酯树脂4％、丙三醇4％、无水乙醇3％、去离子水28％、消泡剂1％、导电炭黑12％、石墨烯10％、浓度为3wt％的微纤化纤维素分散液38％；具体步骤如下：

S3.将导电炭黑加入反应容器中，使用集热式磁力搅拌器搅拌均匀，搅拌速度为680r/min，搅拌时间为1小时，经研磨后得碳系导电油墨。

实施例4

本实施例参照实施例1，提供一种碳系导电油墨的制备方法，与实施例1不同之处在于，原材料质量百分比如下：聚氨酯树脂2％、丙三醇5％、无水乙醇3％、去离子水35％、消泡剂1％、导电炭黑12％、石墨烯6％、浓度为4wt％的微纤化纤维素分散液36％；其制备过程与实施例1相同。

对比例1

本对比例参照实施例1，提供一种碳系导电油墨的制备方法，与实施例1不同之处在于：原材料中所用分散剂为聚乙二醇；具体地，对比例1中原材料质量百分比如下：聚氨酯树脂2％、丙三醇5％、无水乙醇2％、去离子水30％、消泡剂1％、导电炭黑10％、石墨烯8％、浓度为5wt％的聚乙二醇去离子水溶液42％。

对实施例1～4和对比例1制备的碳系导电油墨进行各项性能测试，具体测试过程及结果如下：

1.密度测试

将上述实施例中的产品分别取10ml于量筒中，每一组产品做三次实验，以三组的平均值作为密度的定值。

2.墨层厚度测试

用电子天平称量待印刷打样的铜版纸的重量为m；通过丝网印刷后再称量铜版纸和转移油墨的总重量为M；根据转移的油墨质量、打样的矩形条总面积以及所制备的导电油墨的密度，得到各打样样品的墨层厚度。

3.细度测试

用分析纯的乙醇清洗刮板细度计并将导电油墨置于QXP型刮板细度计最顶端凹槽100μm处，之后用双手使刮刀垂直于刮板细度计，将刮刀匀速从最上端刮至最下端，使油墨布满仪器表平面的凹槽，在一分钟内将刮完油墨的细度计表面以30°斜对光源读取所测油墨细度。

4.导电性测试

取各实施例打样样品，使用万用表测量每一矩形条的电阻值R，通过下式计算得到所配制导电油墨的电阻率。

式中：R为印刷的油墨测量电阻值；S为矩形条的截面面积；d为矩形条的宽；L为矩形条的长；h为墨层厚度。

以上性能测试结果见表1。

表1

样品名	密度(g/cm<sup>3</sup>)	墨层厚度(μm)	细度(μm)	电阻率(Ω·cm)
					实施例1	0.79	8.55	12	15.17
实施例2	0.83	8.63	12	13.58
					实施例3	0.88	7.52	13	10.69
实施例4	0.91	8.76	14	10.26
					对比例1	0.85	8.23	13	36.72

将实施例1～4制备的碳系导电油墨分别采用丝网印刷版于相同的印刷条件下在RFID的基体的表面印制成和图1相同的形状，在室温下彻底干燥后对印刷品的电阻值进行测量，电阻值测量结果见表2。

表2

对实施例1和对比例1印刷的印刷品进行耐磨性测量，测量过程按照国标GB/T7706-2008进行，耐磨性测量结果见表3。

表3

其中A_s为墨层耐磨性；D为试样摩擦后的平均密度值，D₀为试样摩擦前的平均密度值。

从上述实验结果可以看出，实施例1～4制备的碳系导电油墨电阻率低，提高油墨的导电性能，降低了印制的RFID标签电阻值。同时，相较于对比例1中的聚乙二醇，实施例1所用的分散液中的微纤化纤维素提高了碳系导电油墨的稳定性，对导电填料具有吸附作用，在耐磨性测量中，实施例1的耐磨性明显优于对比例1。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种碳系导电油墨，其特征在于，由以下原材料组成：导电填料、分散剂、连接料、消泡剂和溶剂；所述导电填料为导电炭黑和石墨烯的混合物，所述分散剂为微纤化纤维素分散液。

2.根据权利要求1所述的碳系导电油墨，其特征在于，所述原材料质量百分比如下：导电填料：18~24%，分散剂：36~42%，连接料：2~6%，消泡剂：1%，溶剂27~43%。

3.根据权利要求1所述的叹息导电油墨，其特征在于，所述导电填料中导电炭黑和石墨烯以任意比例混合。

4.根据权利要求1所述的碳系导电油墨，其特征在于，所述微纤化纤维素分散液中纤维素含量为3~5wt%。

5.根据权利要求1所述的碳系导电油墨，其特征在于，所述连接料为聚氨酯树脂。

6.根据权利要求1所述的碳系导电油墨，其特征在于，所述溶剂为去离子水、无水乙醇、丙三醇的任意一种或几种。

7.一种权利要求1~6任一项所述的碳系导电油墨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的碳系导电油墨的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述数显电动搅拌器的搅拌速度为600~650r/min，搅拌时间为1h。

9.根据权利要求7所述的碳系导电油墨的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述集热式磁力搅拌器搅拌的水浴温度为45℃，搅拌速度为480~500r/min。

10.一种权利要求1~6任一项所述的碳系导电油墨在印制RFID标签方面的应用。