CN112941960A - 一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，包括以下步骤：S1、在基纸上建立X‑Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；S2、确定喷涂点，所述喷涂点包括所述坐标系的原点和n条以所述坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中n≥1；S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥。本发明的导电纸制备方法具有成本低、简单快捷、均匀度高的优点，可以得到不均匀度≤10％的高均匀度银纳米线基导电纸。
Description
技术领域
本发明涉及导电材料技术领域，尤其涉及一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法。
背景技术
随着电子工业的迅猛发展，制备具有柔性、低成本、高效率等特点的电子元器件成为未来电子产品的必然趋势，同时大量传统电子元器件垃圾的增加，电子垃圾的后处理成了一大问题，寻求可替代传统的新型材料成为关键，纸张作为最古老而原始的材料，进入了大家视野，将导电材料与传统纸张结合，制备的导电纸有望在电子领域得到较好应用。与纸张结合的导电材料大致可分为金属类，导电高分子类，以及碳材料等，其中纳米银线具有良好的导电性、透过率、柔韧性，成为目前研究较多的导电材料之一。
电阻均匀性是衡量导电纸及相关器件性能的重要指标，电阻分布不均匀会在很大程度上影响器件的使用性能以及寿命。但是，纸基的多孔吸水等特性导致很难制作得到阻值均匀的银纳米线基导电纸。目前报道的制备纳米银线基导电纸的方法主要有刮涂，喷涂，滴涂，浸涂等。其中，纸基的多孔吸水特性使得刮涂方法不适用于制备阻值均匀的纳米银线基导电纸，而滴涂，浸涂等方法不可控性高，重复性和均匀性差，也不适用于制备高性能器件。因此，开发低成本、简单快捷、高均匀度的银纳米线基导电纸制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法。
本发明提出的一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基纸上建立X-Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；
S2、确定喷涂点，所述喷涂点包括所述坐标系的原点和n条以所述坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中n≥1；
每条正方形轨迹线上的相邻两个轨迹点之间的距离相同，设为a cm，则：
第1条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2a，-2a)、(-2a，2a)、(2a，2a)、(2a，-2a)；
第2条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-4a，-4a)、(-4a，4a)、(4a，4a)、(4a，-4a)；
第n条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2na，-2na)、(-2na，2na)、(2na，2na)、(2na，-2na)；
S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；
喷涂有效区域为以所述坐标系原点为中心的正方形区域，四个端点坐标分别为：(-3na，-3na)、(-3na，3na)、(3na，3na)、(3na，-3na)。
优选地，1≤a≤2。
优选地，所述含银纳米线的喷涂墨水的粘度为6-8mpa·s，表面张力为25-35×10- 3N·m。
优选地，所述含银纳米线的喷涂墨水包括下述成分：银纳米线、增稠剂、分散剂、溶剂；优选地，所述含银纳米线的喷涂墨水中，银纳米线的含量为0.1-100mg/mL，增稠剂的含量为0.75-1.5mg/mL，分散剂的含量为0.005-0.015μL/mL；优选地，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素，所述溶剂由水和乙醇按体积比为(1-3)：1混合得到。
优选地，所述步骤S3中，含银纳米线的喷涂墨水在每个喷涂点的喷涂量为0.1-0.3mL。
优选地，所述步骤S3中，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min。
优选地，所述高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法还包括S4、采用喷枪将PVA溶液喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；优选地，所述PVA溶液的浓度为2-3％，每个喷涂点的喷涂量为0.1-0.3mL，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min；优选地，所述PVA溶液是将PVA溶解于由水和乙醇按体积比为(1-3)：1混合而成的溶剂中得到。
优选地，所述高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法还包括S5、采用喷枪将硅溶胶喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；优选地，所述硅溶胶的固含量为5-20％，每个喷涂点的喷涂量为0.1-0.3mL，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min。
优选地，所述有机硅改性硅溶胶是以硅烷偶联剂、硅氧烷中的至少一种作为有机硅改性剂，对硅溶胶进行改性得到，可以通过市售或者自制途径得到。
优选地，所述有机硅改性硅溶胶的制备方法如下：
(1)将乙酸、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、酸性硅溶胶按体积比1：(15-20)：(15-20)：(15-20)混合均匀，在50-80℃加热反应0.5-2h，冷却至室温；
(2)向步骤S1的反应产物中加入醋酸钠溶解完全，在50-80℃加热反应15-20h，即得，其中醋酸钠与乙酸的比例为(0.02-0.04)g：1mL。
优选地，所述步骤S3-S5中，喷枪的喷涂高度为20-25cm，喷涂压力为0.1-0.2kPa。
优选地，所述步骤S3-S5中，含银纳米线的喷涂墨水、PVA溶液、有机硅改性硅溶胶分若干次喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每次喷涂量为0.05-0.1mL，每次喷涂完毕后，干燥，再进行下一次喷涂。
一种高均匀度银纳米线基导电纸，由所述的制备方法制得。
本发明的有益效果如下：
本发明利用空气喷涂法，通过调节成分与配比得到合适的含银纳米线的喷涂墨水，采用常规的喷涂设备，喷涂到纸基上合适的喷涂点处，可以使各区域墨水厚度均匀，从而在纸基上形成均匀的导电网络，可以得到高导电均匀度的导电纸，操作简单，效率高，重复性好，而且可以通过调节墨水中银纳米线的含量对电阻进行连续调控，具有良好的应用前景；通过后处理喷涂适量PVA，可以进一步提高均匀性；再通过后处理喷涂适量有机硅改性硅溶胶，可以提高导电纸表面的耐摩擦性能。本发明制得的银纳米线基导电纸，其不均匀度可以达到≤10％，具有优良的均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例4制得的导电纸的SEM图像。
图2为本发明实施例4制得的导电纸的红外热像图。
图3为实施例4和对比例1-2制得的导电纸的电阻分布均匀性测试结果。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基纸上建立X-Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；
S2、确定喷涂点，所述喷涂点包括所述坐标系的原点和n条以所述坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中n≥1；
每条正方形轨迹线上的相邻两个轨迹点之间的距离相同，设为a cm，则：
第1条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2a，-2a)、(-2a，2a)、(2a，2a)、(2a，-2a)；
第2条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-4a，-4a)、(-4a，4a)、(4a，4a)、(4a，-4a)；
第n条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2na，-2na)、(-2na，2na)、(2na，2na)、(2na，-2na)；
S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；
喷涂有效区域为以所述坐标系原点为中心的正方形区域，四个端点坐标分别为：(-3na，-3na)、(-3na，3na)、(3na，3na)、(3na，-3na)。
实施例2
一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基纸上建立X-Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；
S2、确定喷涂点，所述喷涂点包括所述坐标系的原点和n条以所述坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中n≥1；
每条正方形轨迹线上的相邻两个轨迹点之间的距离相同，设为a cm，则：
第1条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2a，-2a)、(-2a，2a)、(2a，2a)、(2a，-2a)；
第2条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-4a，-4a)、(-4a，4a)、(4a，4a)、(4a，-4a)；
第n条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2na，-2na)、(-2na，2na)、(2na，2na)、(2na，-2na)；
其中，1≤a≤2；
S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，均为1-3mL，喷涂完毕后干燥，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min，其中，含银纳米线的喷涂墨水的粘度为6-8mpa·s，表面张力为25-35×10-3N·m，墨水中银纳米线的含量为0.1-100mg/mL；喷枪的喷涂高度为20-25cm，喷涂压力为0.1-0.2kPa；
喷涂有效区域为以所述坐标系原点为中心的正方形区域，四个端点坐标分别为：(-3na，-3na)、(-3na，3na)、(3na，3na)、(3na，-3na)。
实施例3
一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，包括以下步骤：
S1、在基纸上建立X-Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；
S2、确定喷涂点，所述喷涂点包括所述坐标系的原点(坐标为(0，0))和1条以所述坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中正方形轨迹线上的相邻两个轨迹点之间的距离相同，设为a cm，其中1≤a≤2，正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2a，-2a)、(-2a，2a)、(2a，2a)、(2a，-2a)，正方形轨迹线上的轨迹点坐标如下：(-2a，-2a)、(-2a，-a)、(-2a，0)、(-2a，a)、(-2a，2a)、(-a，2a)、(0，2a)、(a，2a)、(2a，2a)、(2a，a)、(2a，0)、(2a，-a)、(2a，-2a)、(a，-2a)、(0，-2a)、(-a，-2a)；
S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，均为0.1-0.3mL，喷涂完毕后干燥，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min，其中，含银纳米线的喷涂墨水的粘度为6-8mpa·s，表面张力为25-35×10-3N·m，墨水中银纳米线的含量为0.1-100mg/mL；喷枪的喷涂高度为20-25cm，喷涂压力为0.1-0.2kPa；
喷涂有效区域为以所述坐标系原点为中心的正方形区域，四个端点坐标分别为：(-3na，-3na)、(-3na，3na)、(3na，3na)、(3na，-3na)。
实施例4
一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，包括以下步骤：
S1、在尺寸为9cm×9cm的正方形基纸上，以基纸的中心点为坐标原点建立X-Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；
S2、确定喷涂点，喷涂点包括坐标系的原点(坐标为(0，0))和1条以坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中正方形轨迹线上的相邻两个轨迹点之间的距离相同，为1.5cm，正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-3，-3)、(-3，3)、(3，3)、(3，-3)，正方形轨迹线上的轨迹点坐标如下：(-3，-3)、(-3，-1.5)、(-3，0)、(-3，1.5)、(-3，3)、(-1.5，3)、(0，3)、(1.5，3)、(3，3)、(3，1.5)、(3，0)、(3，-1.5)、(3，-3)、(1.5，-3)、(0，-3)、(-1.5，-3)；
S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，均为0.18mL，分三次喷涂，每次喷涂0.06mL，每次喷涂完毕后，在80℃干燥5min，其中，含银纳米线的喷涂墨水包括下述成分：0.6mg/mL的银纳米线、1mg/mL的羟丙基甲基纤维素、0.01μL/mL的分散剂Sago-9760、其余为溶剂，其中溶剂由水和乙醇按体积比为2：1混合得到；含银纳米线的喷涂墨水的粘度为6.83mpa·s，表面张力为30.15×10-3N·m；
S4、采用喷枪将浓度为2.5％的PVA溶液喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，均为0.18mL，分三次喷涂，每次喷涂0.06mL，每次喷涂完毕后，在80℃干燥5min，其中PVA溶液是将PVA溶解于由水和乙醇按体积比为2：1混合而成的溶剂中得到；
S5、采用喷枪将固含量为10％的有机硅改性硅溶胶喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，均为0.18mL，分三次喷涂，每次喷涂0.06mL，每次喷涂完毕后，在80℃干燥5min，得到导电纸；
步骤S3-S5中，喷枪的喷涂高度为23cm，喷涂压力为0.15kPa。
有机硅改性硅溶胶的制备方法为：
(1)将1mL乙酸、16mL甲基三甲氧基硅烷、16mL甲基三乙氧基硅烷、16mL酸性硅溶胶混合均匀，在60℃加热反应1h，冷却至室温；
S2、向步骤S1的反应产物中加入0.032g醋酸钠溶解完全，在60℃加热反应16h，即得。
实施例5
实施例5与实施例4的区别仅在于：含银纳米线的喷涂墨水中，银纳米线的浓度为0.55mg/mL。
实施例6
实施例6与实施例4的区别仅在于：含银纳米线的喷涂墨水中，银纳米线的浓度为0.52mg/mL。
对比例1
对比例1与实施例4的区别仅在于：
步骤S2中，喷涂点坐标如下：(0，0)、(-1.5，-1.5)、(-1.5，0)、(-1.5，1.5)、(0，1.5)、(1.5，1.5)、(1.5，0)、(1.5，-1.5)、(0，-1.5)、(-3，-3)、(-3，-1.5)、(-3，0)、(-3，1.5)、(-3，3)、(-1.5，3)、(0，3)、(1.5，3)、(3，3)、(3，1.5)、(3，0)、(3，-1.5)、(3，-3)、(1.5，-3)、(0，-3)、(-1.5，-3)。
对比例2
对比例2与实施例4的区别仅在于：
步骤S2中，喷涂点坐标如下：(0，0)、(-3，-3)、(-3，0)、(-3，3)、(0，3)、(3，3)、(3，0)、(3，-3)、(0，-3)。
实施例4制得的导电纸的SEM图像如图1所示。从图1中可以看出，在微观层面上银纳米线在纸基缝隙出有轻微聚集，但在整体均匀性上表现良好。
对实施例4制得的导电纸两端施加一定电压，从而产生焦耳热，器件温度变化，并用红外热像仪测量得到导电纸的红外热像图，如图2所示。从图2中可以看出，导电纸的各个区域发热均匀，为导电纸的宏观高电阻均匀性提供了佐证。
对实施例4和对比例1-2制得的导电纸进行电阻分布均匀性测试，具体方法为：用四探针法测试，每隔1.5cm×1.5cm测一个点，共测试16个点。测试仪器为RTS-9型双电测四探针测试仪。按照公式：
计算偏差。结果如图3所示。其中，图3(a)表示实施例4的喷涂点，图3(b)表示对比例1的喷涂点，图3(c)表示对比例2的喷涂点；图3(d)表示实施例4导电纸的电阻分布，图3(e)表示对比例1导电纸的电阻分布，图3(f)表示对比例2导电纸的电阻分布；图3(g)表示实施例4的喷涂结果的频次直方图及高斯分布，图3(h)表示对比例1的喷涂结果频次直方图及高斯分布，图3(i)表示对比例2的喷涂结果频次直方图及高斯分布。图3(d)-(f)中，方块内数字为该方块区域电阻值，方块颜色为白色表示偏差<10％。从图3中可以看出，本发明实施例1的喷涂方法得到的导电纸，均匀性远远高于对比例1-2得到的导电纸。
采用四探针法测试实施例4-6的导电纸的电阻分布，每隔1.5cm×1.5cm测一个点，共测试16个点，并计算导电纸的平均电阻，结果显示，实施例4、实施例5、实施例6的平均电阻分别为26.02Ω/sq、33.24Ω/sq、36.03Ω/sq；按照公式：
计算每个测试点的偏差，得到的平均偏差即为不均匀度，结果显示，实施例4、实施例5、实施例6的不均匀度分别为9.06％、9.27％、8.32％；由此可见，本发明的喷涂方法具有优异的电阻均匀性，不均匀度≤10％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在基纸上建立X-Y坐标系，所述坐标系的X轴单位设为cm，Y轴单位设为cm；
S2、确定喷涂点，所述喷涂点包括所述坐标系的原点和n条以所述坐标系原点为中心的正方形轨迹线上的轨迹点，其中n≥1；
每条正方形轨迹线上的相邻两个轨迹点之间的距离相同，设为a cm，则：
第1条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2a，-2a)、(-2a，2a)、(2a，2a)、(2a，-2a)；
第2条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-4a，-4a)、(-4a，4a)、(4a，4a)、(4a，-4a)；
第n条正方形轨迹线的四个端点坐标分别为：(-2na，-2na)、(-2na，2na)、(2na，2na)、(2na，-2na)；
S3、采用喷枪将含银纳米线的喷涂墨水喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；
喷涂有效区域为以所述坐标系原点为中心的正方形区域，四个端点坐标分别为：(-3na，-3na)、(-3na，3na)、(3na，3na)、(3na，-3na)。
2.根据权利要求1所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，1≤a≤2。
3.根据权利要求1或2所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，所述含银纳米线的喷涂墨水的粘度为6-8mpa·s，表面张力为25-35×10-3N·m。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，所述含银纳米线的喷涂墨水包括下述成分：银纳米线、增稠剂、分散剂、溶剂；优选地，所述含银纳米线的喷涂墨水中，银纳米线的含量为0.1-100mg/mL，增稠剂的含量为0.75-1.5mg/mL，分散剂的含量为0.005-0.015μL/mL；优选地，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素，所述溶剂由水和乙醇按体积比为(1-3)：1混合得到。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，含银纳米线的喷涂墨水在每个喷涂点的喷涂量为0.1-0.3mL。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，还包括S4、采用喷枪将PVA溶液喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；优选地，所述PVA溶液的浓度为2-3％，每个喷涂点的喷涂量为0.1-0.3mL，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min。
8.根据权利要求7所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，还包括S5、采用喷枪将有机硅改性硅溶胶喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每个喷涂点的喷涂量相同，喷涂完毕后干燥；优选地，所述有机硅改性硅溶胶的固含量为5-20％，每个喷涂点的喷涂量为0.1-0.3mL，干燥温度为60-90℃，干燥时间为3-10min。
9.根据权利要求1-8任一项所述的高均匀度银纳米线基导电纸的制备方法，其特征在于，所述步骤S3-S5中，喷枪的喷涂高度为20-25cm，喷涂压力为0.1-0.2kPa；
优选地，所述步骤S3-S5中，含银纳米线的喷涂墨水、PVA溶液、有机硅改性硅溶胶分若干次喷涂在步骤S2确定的喷涂点处，每次喷涂量为0.05-0.1mL，每次喷涂完毕后，干燥，再进行下一次喷涂。
10.一种高均匀度银纳米线基导电纸，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。
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