TWI445775B - 導電墨水及其製備方法 - Google Patents

Description

導電墨水及其製備方法

本發明涉及一種導電墨水及其製備方法，特別涉及一種基於奈米碳管的導電墨水以及該導電墨水的製備方法。

隨著數位噴墨印表機技術的發展，先前技術已有利用噴墨印表機於基板上形成圖形化的導電層的方法。該方法將導電墨水直接噴印在絕緣基板表面形成薄膜，再經過進一步的處理在絕緣基板表面形成圖案化的導電層。相較於傳統的絲網印刷法，噴墨印表機製造印刷線路板的流程較短，且噴墨印表機製造的線路寬度較小，因此噴墨技術將會給印刷線路製造業帶來更快的速度、更低的成本以及更高的佈線密度。

2006年6月22日公開的公開號為US2006/0130700A1的美國專利申請，提出了一種含銀的噴墨導電墨水及一種使用該含銀的噴墨導電墨水在基板形成圖形的方法，其通過噴墨印表機將上述含銀鹽的導電墨水噴印在基板上，形成圖案或圖形；然後，使用帶有還原劑的導電墨水噴印在所述銀鹽組成的圖案或圖形上，從而在基板表面形成金屬銀組成的圖形或圖案。然而，該導電墨水中的金屬銀係以離子的形態出現，使得使用該導電墨水去形成導電圖形的時候，需要使用帶有還原劑的導電墨水將銀鹽中的銀離子通過化學反應還原成銀鹽，使得該製備方法工藝複雜，且成本較高。 另外，由於導電圖案的導電材料由金屬材料構成，而金屬材料在柔性基底上的適應性較差，使用過程中較容易疲勞，壽命週期短，並且材料成本較高。

有鑒於此，提供一種使用簡單、適用範圍廣並且成本較低的導電墨水及其製備方法實為必要。

一種導電墨水，其包括：質量百分比為0.5~5%的奈米碳管，質量百分比為7~25%的鱗片石墨、有機載體、粘結劑、分散劑、薄膜增強劑以及溶劑。

一種導電墨水的製備方法，其包括以下步驟：提供一定量的奈米碳管以及分散劑的溶液，將該奈米碳管加入分散劑的溶液中，獲得一第一混合液；將一定量的鱗片石墨的分散於有機載體溶液中，在上述分散有鱗片石墨的有機載體溶液中加入薄膜增強劑獲得一第二混合液；將該第一混合液與所述第二混合液混合均勻獲得一導電墨水。

與先前技術相比較，所述導電墨水具有以下優點：所述導電墨水採用奈米碳管，以及鱗片石墨作為主要的導電體。使用時，所述奈米碳管及鱗片石墨與粘結劑以及薄膜增強劑之間具有較好的結合性，導電薄膜從而較好的附著在基底表面形成導電薄膜。另外，該導電墨水在應用時，可以直接形成導電薄膜於基底表面，工藝簡單，成本低。

圖1為本發明具體實施例一的導電墨水形成的薄膜的場發射圖。

以下將結合附圖對本發明的導電墨水及其製備方法作進一步的詳細說明。

本發明提供一種導電墨水，其成分包括：奈米碳管、鱗片石墨、有機載體、粘結劑、分散劑、薄膜增強劑以及溶劑。其中，所述奈米碳管的質量百分比為0.5%~5%，所述鱗片石墨的質量百分比為7%~25%，所述有機載體的質量百分比為10%~15%，所述粘結劑的質量百分比為5%~25%，所述分散劑的質量百分比為0.5%~2%，所述薄膜增強劑的質量百分比為5%~30%，所述溶劑的質量百分比為20%~60%。

所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或複數種。該奈米碳管可以通過電弧放電法、鐳射蒸發法或者化學氣相沈積法製備獲得。所述奈米碳管的直徑小於50奈米，長度為2~15微米。奈米碳管的直徑越小，長度越大，其比表面積越大，就越難分散，從而容易導致該導電墨水在使用時容易將印表機的噴頭堵塞。本發明實施例中，選用直徑小於50奈米，長度為2~5微米的奈米碳管製備導電墨水，既可以使奈米碳管均勻分散，使用時也不會將印表機的噴頭堵塞，以利於其應用於導電薄膜或者圖形化的導電層的製備。

進一步地，所述奈米碳管可為經過功能化處理的奈米碳管。該奈米碳管表面帶有親水性功能團，該功能團包括羧基(-COOH)、羥基(-OH)、醛基(-CHO)以及氨基(-NH₂)等中的一種或複數種。該功能團形成於奈米碳管管壁上或端部。可以理解，借助於該功能團，奈米碳管均勻分散於導電墨水中。本發明實施例中，奈米碳管表面帶有複數個羧基(-COOH)與羥基(-OH)。

所述鱗片石墨為片狀，所述鱗片石墨的尺寸小於1微米，所謂鱗片石墨的尺寸指的係該鱗片石墨的最大直徑。所述鱗片石墨的厚度為10奈米~1微米。該鱗片石墨的尺寸較小，從而比較容易分散。所述鱗片石墨可以吸附於所述奈米碳管，從而有利於奈米碳管在導電墨水中的分散。另外，鱗片石墨具有較好的導電性，該鱗片石墨可以增強所述導電墨水的導電性，從而採用該導電墨水形成的導電薄膜具有較好的導電性。而且，該鱗片石墨的價格較低，相對於包含重金屬離子的導電墨水，該導電墨水的價格較低。

所述粘結劑為一水溶性聚合物，其包括聚維酮、丙烯酸乳膠、醋酸乙烯乳膠、聚乙烯濃縮乙醛樹脂中的一種或複數種。所述粘結劑可以粘附在奈米碳管以及鱗片石墨的表面，該導電墨水在使用時，所述粘結劑可以將所述奈米碳管以及鱗片石墨粘附於基底表面。從而使得貴金屬離子均勻附著在奈米碳管表面。加入連接劑還可以提高導電墨水的粘合性。在將導電墨水列印到基底上之後，隨著溶劑的揮發，奈米碳管以及鱗片石墨容易脫落。而該粘結劑可以將奈米碳管以及鱗片石墨固定於基底表面。本發明實施例中，該粘結劑為丙烯酸乳膠。

所述有機載體可以為羧甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、三苯乙烯馬來酸樹脂、或者高取代度的羧甲基纖維素。該有機載體的作用為分散所述鱗片石墨，使所述鱗片石墨均勻分散於所述導電墨水中。

所述分散劑可以為脂肪酸、磷酸酯、改性聚乙烯醇、聚矽氧烷、十二烷基硫酸鈉、脂肪族聚酯碸酸鈉以及聚山梨醇酯中的一種或複數種。所述分散劑一部分包裹在奈米碳管表面，使奈米碳管均勻分散在溶液中；所述分散劑另一部分則分散於導電墨水中，調 節導電墨水的表面張力，從而使得該導電墨水可以適合列印到不同材料構成的基底表面。

所述薄膜增強劑為膠體矽酸鹽與二氧化鈦顆粒、或者二氧化矽顆粒分散與溶劑中形成的懸浮液。該懸浮液中矽酸鹽的質量百分比為1%~50%，二氧化鈦或者二氧化矽的質量百分比為1%~5%。該懸浮液中溶劑的質量百分比為45%~80%。該懸浮液中，所述溶劑為去離子水。所述矽酸鹽可以係矽酸鈉、矽酸鉀中的一種，或者兩者的混合。使用時，上述薄膜增強劑可以將增強所述奈米碳管以及鱗片石墨與基底之間的結合力，從而更好的增強所述導電墨水形成的導電層與基底之間的結合力。

所述導電墨水中的溶劑為水。本實施例中，所述溶劑優選去離子水。

可選地，所述導電墨水中還可以包括粘度調節劑。該粘度調節劑的質量百分比為1%~20%。所述粘度調節劑為有機溶劑或水溶性聚合物，用以調節導電墨水的粘合性。所述粘度調節劑為去離子水、纖維素醚、瓜耳膠及矽膠等中的一種或複數種。

可選擇地，該導電墨水中還可以加入一定量的保濕劑，該保濕劑質量百分比為0.1~5%。所述保濕劑通常為一高沸點材料，可以為二元醇醚酯。保濕劑可以提高該導電墨水的沸點，減慢導電墨水蒸發的速度。本實施例中，於導電墨水中加入質量百分比為5%的二元醇醚酯。該導電墨水可以於50~100℃溫度下使用而不易揮發。

為了使得該導電墨水可以在噴墨印表機中使用，該導電墨水的粘 度為1~40厘泊(cps)，表面張力為20~60達因/厘米(dyne/cm)。可以理解，當該導電墨水的粘度較大時，還可以採用先前技術中的旋塗方法，在基底上形成一導電薄膜。本領域技術人員可以通過光刻技術，對上述導電薄膜進行處理，從而獲得一圖案化的導電層。本發明中所指的導電層，以及圖案化的導電層，可以為印刷電路中的電路圖形，也可以為場發射顯示器中的陰極電極。總之，該導電墨水的應用並不局限上述技術領域，該導電墨水可以應用於各種形成導電薄膜相關技術領域。

以下將提供本發明導電墨水的幾種具體實施例：

具體實施例一

本發明具體實施例一中，所述薄膜增強劑為膠體矽酸鈉與二氧化鈦分散於溶劑中形成的懸浮液。該懸浮液中矽酸鈉的質量百分比 為40%，二氧化鈦的質量百分比為5%。所述溶劑為去離子水，該溶劑的質量百分比為55%。該薄膜增強劑可以增強導電墨水與基底之間的結合力，從而使得該導電墨水形成的導電薄膜與基底之間的結合力較強。本實施例中，所述分散劑為脂肪族聚酯碸酸鈉。所述有機載體可以起到分散鱗片石墨的作用，該有機載體為羧甲基纖維素。

請參見圖1，本發明具體實施例一的導電墨水可以在一基底表面形成導電薄膜。該導電薄膜為採用噴墨印表機將導電墨水噴印於基底表面形成。圖1顯示該導電薄膜經膠帶粘結於表面並揭下後，該導電薄膜仍然具有較好的場發射性。因此，圖1可以說明本發明提供的導電墨水與基底具有較好的結合力。

具體實施例二

具體實施例二中，所述有機載體為聚丙烯酸鈉，所述分散劑為纖維素謎，薄膜增強劑與具體實施例一中的薄膜增強劑相同。

本發明進一步提供製備上述導電墨水的方法，其包括以下步驟：(S1)提供一定量的奈米碳管，將該奈米碳管加入分散劑的溶液中並分散，獲得一第一混合液；(S2)將一定量的鱗片石墨的分散於有機載體溶液中，在上述分散有鱗片石墨的有機載體溶液中加入薄膜增強劑獲得一第二混合液；(S3)將所述第一混合液與所述第二混合液混合均勻獲得一導電墨水。

步驟(S1)中，所述奈米碳管為功能化的奈米碳管，該奈米碳管表面帶有親水性功能團，該功能團包括羧基(-COOH)、羥基(-OH)、醛基(-CHO)以及氨基(-NH₂)等中的一種或複數種。將該功能化的奈米碳管，以及分散劑加入去離子水中進行超聲分散、離心、過濾處理，並重複上述步驟4至5次，最後將奈米碳管超聲分散於去離子水中，得到一奈米碳管水溶性分散液。本實施例中，奈米碳管表面帶有複數個羧基(-COOH)與羥基(-OH)。所述分散劑可以為脂肪酸、磷酸酯、改性聚乙烯醇、聚矽氧烷、十二烷基硫酸鈉、脂肪族聚酯碸酸鈉以及聚山梨醇酯中的一種或複數種。本發明實施例中，所述分散劑為脂肪族聚酯碸酸鈉。

所述奈米碳管可以通過電弧放電法、鐳射蒸發法或者化學氣相沈積法製備。本實施例中，通過化學氣相沈積法生長奈米碳管陣列，並將該奈米碳管陣列中的奈米碳管刮落作為原料。奈米碳管陣列中由於奈米碳管定向排列而沒有相互纏繞，所以有利於奈米碳管在溶液中分散。本實施例中，奈米碳管長度為3微米。

步驟(S2)中，所述機載體溶液為聚丙烯酸鈉溶液。具體地，可以把鱗片石墨分散於低粘度的聚丙烯酸鈉溶液中，超聲分散5分鐘。待鱗片石墨充分分散後，在上述分散有鱗片石墨的聚丙烯酸鈉溶液中，加入薄膜增強劑，混合均勻從而獲得一第二混合液。所述薄膜增強劑為膠體矽酸鈉與二氧化鈦顆粒分散於去離子水溶劑中形成的懸浮液，該懸浮液中，矽酸鈉與二氧化鈦的質量比為10：1。

步驟(S3)中，可以採用超聲分散，將所述第一混合液與所述第二混合液混合在一起。從而使得上述兩種液體均勻混合，得到所述導電墨水。

步驟(S3)中，還可以進一步添加一粘度調節劑，用於調節所述導電墨水的粘度。可以理解，本領域技術人員可以根據實際需要選擇加入粘度調節劑的質量，從而獲得不同粘度的導電墨水。當導電墨水的粘度較高時，可以應用於絲網印刷導電薄膜。本實施例中，該粘度調節劑為纖維素醚。

步驟(S3)中，還可以進一步添加一保濕劑，所述保濕劑可以導電墨水的沸點，減慢導電墨水蒸發的速度。本實施例中，於導電墨水中加入質量百分比為5%的二元醇醚酯。

本實施例製備的導電墨水中，所述奈米碳管的質量百分比為0.5~5%，所述鱗片石墨的質量百分比為7~25%，所述有機載體的質量百分比為10%~15%，所述粘結劑的質量百分比為5~25%，所述分散劑的質量百分比為0.5~2%，所述薄膜增強劑的質量百分比為5~30%，所述溶劑的質量百分比為20~60%。該導電墨水的粘度為1~40厘泊(cps)，表面張力為20~60達因/厘米(dyne/cm)。

與先前技術相比較，所述導電墨水具有以下優點：所述導電墨水採用奈米碳管，以及鱗片石墨作為主要的導電體。使用時，所述奈米碳管及鱗片石墨與粘結劑以及薄膜增強劑之間具有較好的結合性，從而較好的附著在基底表面形成導電薄膜。另外，該導電墨水在應用時，可以直接形成導電薄膜於基底表面，工藝簡單，成本低。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (16)

1. 一種導電墨水，其包括：質量百分比為0.5~5%的奈米碳管、質量百分比為7~25%的鱗片石墨、有機載體、粘結劑、分散劑、薄膜增強劑以及溶劑，所述薄膜增強劑包括膠體矽酸鹽、二氧化鈦顆粒或二氧化矽顆粒、以及溶劑，所述薄膜增強劑的質量百分比為5%~30%，所述薄膜增強劑中矽酸鹽的質量百分比為1%~50%，二氧化鈦或者二氧化矽的質量百分比為1%~5%，溶劑的質量百分比為45%~80%。
2. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，所述奈米碳管表面帶有親水性的功能團，該功能團包括羧基、羥基、醛基以及氨基中的一種或複數種。
3. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，所述粘結劑為聚維酮、丙烯酸乳膠、醋酸乙烯乳膠及聚乙烯濃縮乙醛樹脂中的一種或複數種。
4. 如請求項第3項所述的導電墨水，其中，所述粘結劑的質量百分比為5%~25%。
5. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，所述分散劑為脂肪酸、磷酸酯、改性聚乙烯醇、聚矽氧烷、十二烷基硫酸鈉、脂肪族聚酯碸酸鈉以及聚山梨醇酯中的一種或複數種。
6. 如請求項第5項所述的導電墨水，其中，所述分散劑的質量百分比為0.5%~2%。
7. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，所述溶劑為去離子水，所述溶劑的質量百分比為20%~60%。
8. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，所述溶劑的質量百分比為20%~60%。
9. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，所述有機載體的質量百分比為 0.5%~2%。
10. 如請求項第9項所述的導電墨水，其中，所述有機載體為羧甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、三苯乙烯馬來酸樹脂、或者高取代度的羧甲基纖維素。
11. 如請求項第1項所述的導電墨水，其中，進一步包括粘度調節劑及保濕劑，所述粘度調節劑的質量百分比為0.1~20%，所述保濕劑質量百分比為0.1~5%。
12. 如請求項第11項所述的導電墨水，其中，所述粘度調節劑為去離子水、纖維素醚、瓜耳膠及矽膠中的一種或複數種。
13. 如請求項第11項所述的導電墨水，其中，所述保濕劑為二元醇醚酯。
14. 一種製備如請求項第1項所述的導電墨水的方法，包括以下步驟：提供一定量的奈米碳管，將該奈米碳管加入分散劑的溶液中，獲得一第一混合液；將一定量的鱗片石墨的分散於有機載體溶液中，在上述分散有鱗片石墨的有機載體溶液中加入薄膜增強劑獲得一第二混合液；以及將該第一混合液與所述第二混合液混合均勻獲得一導電墨水。
15. 如請求項第14項所述的導電墨水的製備方法，其中，所述有機載體溶液為聚丙烯酸鈉溶液。
16. 如請求項第14項所述的導電墨水的製備方法，其中，所述薄膜增強劑為膠體矽酸鈉與二氧化鈦顆粒形成的懸浮液，該懸浮液中，矽酸鈉與二氧化鈦的質量比為10：1。