一種納米銀導電墨水及其製備方法
2023-09-22 15:59:30 2
專利名稱：一種納米銀導電墨水及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種導電墨水，具體涉及一種可用於噴墨印刷柔性電子電路的納米銀導電墨水及其製備方法。
背景技術：
柔性電子，又稱印刷電子或有機電子，是將有機/無機電子器件沉積在柔性襯底如紙、塑料或織物等基底上形成電路的技術。由於柔性電子性能與傳統微電子相當，且具有可攜式、透明、輕質、伸展/彎曲以及易於快速大面積列印等特點，使一些無法用傳統的電子電路實現的特殊應用成為可能，例如可彎曲的柔性顯示器、電子紙、大面積傳感器陣列、智能標籤、薄膜太陽電池等。柔性電子製造的關鍵就是圖案化導電電路的製造，而柔性電子理想的圖案化工藝應滿足低成本、大面積、批量化工藝、低溫、「加」式、非接觸式、可實時調整、三維結構化、易於多層套準等要求。而目前常見的圖案化技術如光刻、蔭罩、微接觸印刷、以及噴墨印刷等技術中，只有噴墨印刷技術能很好滿足這些要求。此外，在計算機輔助 控制條件下，噴墨列印技術更易實現圖形在介觀和微觀級別上的設計與實施，可實現精確、定量、定位沉積，保證導電圖案的成像精度。而且噴墨列印技術的工藝相對簡單，不需要特別苛刻的環境要求，製作成本較低，減少對環境的汙染和原材料的浪費。利用噴墨列印技術製備導電電路的工藝中，關鍵技術之一是製備適合噴墨列印的導電墨水。適用於嗔墨列印的導電墨水的性能指標王要包括(1)可嗔性表現為墨水的顆粒尺寸、粘度和表面張力三個指標。一般而言，顆粒尺寸應小於I μ m，粘度為5 35cP，表面張力為l(T50mN/m。對於不同品牌壓電式印表機，墨水的這幾個指標也稍有不同。(2)可靠性不阻塞噴頭；墨水組分間以及墨水與噴頭組件間有相容性；有貯存穩定性。(3)印刷圖案質量列印品質好；在列印介質上有著一定乾燥速度、粘附性等。(4)安全性要求導電墨水儘量能使用綠色溶劑，具有無毒性，不易燃、無氣味。常見導電墨水可分為有機聚合物導電墨水和金屬導電墨水，但一般有機聚合物導電墨水比金屬導電墨水的導電率低三或四個數量級，而且價格昂貴，不大適用於普通大面積導電電路的製備。金屬導電墨水常見的有金導電墨水、銀導電墨水和銅導電墨水等幾種。但由於銀具有價格比金低廉許多，而化學性質比銅穩定等特點，綜合考慮導電墨水的導電性能、生產成本時，銀導電墨水具有較高的性價比。利用噴墨列印技術製備導電電路的另一個關鍵技術是導電墨水噴墨列印出電路圖案後的燒結過程的控制。一般來說，燒結溫度越高，電路圖案的電阻率越低，即導電性越好。在現有技術中，提高燒結溫度可以得到較好的導電性，但是大部分的柔性襯底都無法承受200°C以上的溫度，因此，現有的柔性電子在柔性襯底的選擇上受到限制。如2012年3月28日公開的中國發明專利申請公布說明書CN102391716A公開了一種柔印納米銀導電墨水及其製備方法，當其燒結溫度低於200°C時，其具有極高的方塊電阻(>1000 Ι Ω/口)，進而限制了該墨水在需要較低溫度燒結的柔性襯底上的應用，同時該墨水的製備採用甲苯等為溶劑，在實際生產中具有毒性和異樣氣味，不符合綠色墨水的要求；2010年8月18日公開的中國發明專利申請公布說明書CN101805538A公開了可低溫燒結的導電墨水，當燒結溫度在130°C時，其得到的銀導線的電阻率為100 μ Ω ·_，約為塊體銀的電阻率的60多倍，較高的電阻率同樣限制了其在柔性襯底上製備銀導電電路的應用。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種低溫燒結功能好的納米銀導電墨水及其製備方法。該納米銀導電墨水不含有毒溶劑，製備過程綠色環保，可在較低的燒結溫度下得到導電性能較好的導電電路，應用時柔性襯底的選擇範圍大。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種納米銀導電墨水，其特徵在於，其重量百分比組成包括
表面包覆著有機保護劑的銀顆粒5 50%，
墨水溶劑40 85%，
表面張力調節劑O. 03^1%,
增粘劑O. 3 5%，
分散劑廣18%。優選地，所述的銀顆粒的粒徑小於60nm。優選地，所述的有機保護劑選自聚穀氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧丙烯、月旨肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚中的一種或兩種。優選地，所述的墨水溶劑選自去離子水、無水乙醇、乙二醇中的一種或兩種。優選地，所述的表面張力調節劑選自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯醯胺中的一種或兩種。優選地，所述的增粘劑選自松油醇、尼龍酸甲酯中的一種。優選地，所述的分散劑選自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醯胺、聚氨酯、明膠、阿拉伯樹膠中的一種或兩種。所述的納米銀導電墨水的製備方法，包括以下步驟
1)在墨水溶劑中，依次添加表面包覆著有機保護劑的銀顆粒、表面張力調節劑、增粘齊U，得到混合溶液；
2)將混合溶液進行攪拌廣4小時，攪拌過程中再添加分散劑；
3)將混合溶液超聲振蕩2(Γ60分鐘；
4)利用孔徑範圍為20(T500nm的有機濾膜進行過濾，即得到納米銀導電墨水。與現有技術相比，本發明的納米銀導電墨水不含有毒溶劑，穩定性能好，在空氣環境中放置6個月，不會發生明顯沉聚現象；該墨水製備過程綠色環保，在較低的燒結溫度(8(T15(TC )下即可得到導電性能較好的導電電路，如在80°C的燒結溫度下，銀導電膜層的電阻率達到19. 5μ Ω -Cm0這不僅克服了現有導電墨水噴墨成型後的燒結溫度相對較高的問題，同時擴大了噴墨印刷柔性電子電路中的導電墨水應用的柔性襯底的選擇範圍。
圖I為利用本發明實施例I中納米銀導電墨水製備的線寬Ipt的銀導電線路的掃描電鏡圖；圖2為本發明實施例I中表面包覆著有機保護劑的納米銀顆粒的差熱-熱重分析圖； 圖3為本發明實施例I中表面包覆著有機保護劑的納米銀顆粒的透射電鏡 圖4為本發明實施例2中表面包覆著有機保護劑的納米銀顆粒的粒徑分析圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。實施例I
在由40 g去離子水和5 g乙醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著聚穀氨酸的納米銀顆粒9g、聚乙烯吡咯烷酮O. 04g、松油醇O. 5g，得到混合溶液；然後將得到的溶液進行攪拌I小時，攪拌的同時添加10 g聚乙二醇；再進行超聲振蕩25分鐘；再利用460 nm的有機濾膜進行過濾，最後得到的溶液即為納米銀導電墨水。將上述製得的納米銀導電墨水應用到普通壓電印表機，按照電腦上預製的電路圖 案，在照片紙上噴墨列印出銀導電膜層，並在100°C下乾燥I h，利用四探針測試法結合掃描電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導電膜層的電阻率為17. 5μ Ω cm。同時利用該納米銀導電墨水，製備線寬Ipt的銀導電線路，其掃描電鏡圖如圖I所示。本實施例中表面包覆著有機保護劑的納米銀顆粒的差熱-熱重分析圖如圖2所示，其透射電鏡圖如圖3所示。實施例2
在由80g去離子水和15g乙二醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著聚丙烯酸的納米銀顆粒18g、十二烷基磺酸鈉O. 09g、松油醇O. 5g，得到混合溶液；然後將得到的溶液進行攪拌2小時，攪拌的同時添加5g聚氨酯；再進行超聲振蕩30分鐘；再利用360nm的有機濾膜進行過濾，最後得到的溶液即為納米銀導電墨水。本實施例中表面包覆著有機保護劑的納米銀顆粒的粒徑分析圖如圖4所示。將上述製得的納米銀導電墨水應用到普通壓電印表機，按照電腦上預製的電路圖案，在照片紙上噴墨列印出銀導電膜層，並在125°C下乾燥lh，利用四探針測試法結合掃描電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導電膜層的電阻率為16. 0μ Ω · cm。實施例3
在由30g去離子水和5g無水乙醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著脂肪醇聚氧乙烯醚的納米銀顆粒6g、聚乙烯吡咯烷酮O. 02g、松油醇O. 5g，得到混合溶液；然後將得到的溶液進行攪拌3小時，攪拌的同時添加7g聚乙烯醇；再進行超聲振蕩20分鐘；再利用250nm的有機濾膜進行過濾，最後得到的溶液即為納米銀導電墨水。將上述製得的納米銀導電墨水應用到普通壓電印表機，按照電腦上預製的電路圖案，在照片紙上噴墨列印出銀導電膜層，並在80°C下乾燥lh，利用四探針測試法結合掃描電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導電膜層的電阻率為19. 5μ Ω · cm。實施例4
在由40g去離子水和3g乙醇組成的墨水溶劑中，依次添加表面包覆著聚氧丙烯的納米銀顆粒6g、聚丙烯醯胺O. 03g、尼龍酸甲酯O. 5g，得到混合溶液；然後將得到的溶液進行攪拌I. 5小時，攪拌的同時添加5g明膠；再進行超聲振蕩30分鐘；再利用480nm的有機濾膜進行過濾，最後得到的溶液即為納米銀導電墨水。將上述製得的納米銀導電墨水應用到普通壓電印表機，按照電腦上預製的電路圖案，在照片紙上噴墨列印出銀導電膜層，並在150°C下乾燥lh，利用四探針測試法結合掃描 電鏡測量膜層截面厚度，計算得出該銀導電膜層的電阻率為15. Ομ Ω · cm。
權利要求
1.一種納米銀導電墨水，其特徵在於，其重量百分比組成包括 表面包覆著有機保護劑的銀顆粒5 50%， 墨水溶劑40 85%， 表面張力調節劑O. 03^1%, 增粘劑O. 3 5%， 分散劑I 18%。
2.根據權利要求I所述的一種納米銀導電墨水，其特徵在於所述的銀顆粒的粒徑小於 60nmo
3.根據權利要求I或2所述的一種納米銀導電墨水，其特徵在於所述的有機保護劑選自聚穀氨酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧丙烯、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚中的一種或兩種。
4.根據權利要求I或2所述的一種納米銀導電墨水，其特徵在於所述的墨水溶劑選自去離子水、無水乙醇、乙二醇中的一種或兩種。
5.根據權利要求I或2所述的一種納米銀導電墨水，其特徵在於所述的表面張力調節劑選自聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基磺酸鈉、聚丙烯醯胺中的一種或兩種。
6.根據權利要求I或2所述的一種納米銀導電墨水，其特徵在於所述的增粘劑選自松油醇、尼龍酸甲酯中的一種。
7.根據權利要求I或2所述的一種納米銀導電墨水，其特徵在於所述的分散劑選自聚乙烯醇、聚乙二醇、聚醯胺、聚氨酯、明膠、阿拉伯樹膠中的一種或兩種。
8.一種製備權利要求I或2所述的納米銀導電墨水的方法，其特徵在於包括以下步驟 1)在墨水溶劑中，依次添加表面包覆著有機保護劑的銀顆粒、表面張力調節劑、增粘齊U，得到混合溶液； 2)將混合溶液進行攪拌廣4小時，攪拌過程中再添加分散劑； 3)將混合溶液超聲振蕩2(Γ60分鐘； 4)利用20(T500nm的有機濾膜進行過濾，即得到納米銀導電墨水。
全文摘要
本發明公開了一種納米銀導電墨水，其重量百分比組成包括表面包覆著有機保護劑的銀顆粒5~50%，墨水溶劑40~85%，表面張力調節劑0.03~1%，增粘劑 0.3~5%，分散劑1~18%。其製備方法為在墨水溶劑中，依次添加表面包覆著有機保護劑的銀顆粒、表面張力調節劑、增粘劑，得到混合溶液；將混合溶液進行攪拌1~4小時，攪拌過程中再添加分散劑；將混合溶液超聲振蕩20~60分鐘；利用200~500nm的有機濾膜進行過濾，即得到納米銀導電墨水。本發明的納米銀導電墨水不含有毒溶劑，製備過程綠色環保，可在較低的燒結溫度下得到導電性能較好的導電電路，應用時柔性襯底的選擇範圍大。
文檔編號C09D11/02GK102827509SQ201210285630
公開日2012年12月19日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者沈文鋒, 黃琦金, 宋偉傑 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所