一種納米銀線噴墨導電墨水的製備方法與流程
2023-10-22 20:31:42 1
本發明涉及一種納米銀線噴墨導電墨水的製備方法。該導電墨水屬於印刷電子漿料，應用於噴墨印製電子技術領域。
背景技術：
噴墨印製是指通過計算機來輔助控制噴墨印刷設備的技術，是一種無接觸、無需製版的印製技術。與傳統電子產品製造方法相比，噴印技術具有可以在基材的相應位置精確布線，無需製版，直接獲得目標導電圖形等優點。噴墨印製電子技術在大面積、柔性化、透明化、低成本及綠色環保等方面具有無可比擬的優勢。隨著噴墨印製電子技術的迅猛發展，與之相關的印製電子材料引起了人們的廣泛關注，尤其是其核心組成部分導電墨水更是在國內外掀起了研發熱潮。導電墨水作為導電圖形的基礎材料，是印製電子技術發展的瓶頸，直接影響著電子產品的性能及質量。常用的導電組分有納米金屬、導電高分子、碳材料等。由於納米金屬具有尺寸小、熔點低，燒結後導電性能優異等突出優點，可以保證從噴墨印刷機的微米級直徑噴嘴中流暢噴出，所以納米金屬可作為導電填料廣泛用於導電噴墨。
銀具有較高的導電率和熱導率、優異的物理化學性能、可接受的價格、易加工及其氧化物也具有一定的導電性等特點被廣泛用作導電墨水的導電組分。常用的納米銀形貌主要是類球形顆粒。導電組分的含量直接影響導電墨水的導電性。導電組分含量過少，導電粒子間不能有效地接觸，導電率較低；含量過多，導電墨水易於沉降、出現顆粒堆積和堵塞噴頭等情況。相比於球形納米顆粒，高縱橫比的納米線/納米棒等能夠顯著降低導電墨水的滲流閾值，從而使得導電組分含量降低，並且能夠獲得良好的穩定性和力學性能。然而，納米銀線作為噴墨導電墨水的導電組分有兩個關鍵問題需要解決，即納米銀線尺寸的有效控制和納米銀線在溶劑中的分散穩定性。作為導電組分，納米銀線的尺寸越長，導電線路中接觸點越少，接觸電阻就越低，導電性越好。但是，過長的納米銀線不僅難於在溶劑中分散，而且納米線間也易於交聯團聚沉降，堵塞噴頭。理論研究表明，噴墨列印導電組分的長度小於a/50（a是噴頭的直徑）時，墨水可流暢地列印。然而，納米銀線在噴印過長中往往會由於液流誘導出現定向排列的情況。因此，考慮導電組分形貌對導電性等的影響，實際的納米銀線導電組分的長度是可以大於a/50的。研究表明，只有適當尺寸的納米銀線，不僅可實現低含量情況下的高導電性，而且也易於獲得高的分散穩定性和降低成本。因此，開發一種適應於噴墨列印的納米銀線導電墨水成為本技術領域亟待解決的難題。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種適合於噴墨印製的納米銀線導電墨水，該墨水適用於紙質、PI和PET等基材，經100-300℃熱處理，具有良好的導電性。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
納米銀線噴墨導電墨水的製備過程如下： (1）室溫下配製0.04-0.06 mol·L-1的硝酸銀的丙三醇溶液100 mL，攪拌10分鐘，配製0.23-0.35 mol·L-1的聚乙烯吡咯烷酮K30的丙三醇溶液100 mL。將聚乙烯吡咯烷酮K30溶液加入到硝酸銀溶液中，攪拌10分鐘，分散均勻。配製0.4-0.6 mol·L-1的氯化鈉的丙三醇和水（體積比10：1）11 mL溶液，然後在100-150 rpm·min-1攪拌速度下將氯化鈉溶液加入到硝酸銀和聚乙烯吡咯烷酮混合溶液中，同時將溶液升溫至205℃。然後自然降溫至室溫。將製備的納米銀線分別用去離子水和乙醇以7000 rpm的轉速離心洗滌30分鐘，並各洗滌2次，得到純化納米銀線。
（2）將步驟（1）製備的納米銀線加入到異丙醇中，超聲震蕩90-180分鐘，再以10000 rpm的轉速離心30分鐘，得到細化的納米銀線。
（3）將聚乙烯吡咯烷酮K90溶解到異丙醇、二乙二醇和二甘醇單丁醚混合溶液中，然後將步驟（2）中的納米銀線加入到混合溶液中，超聲分散10分鐘後，再在1200-1800 rpm·min-1條件下機械攪拌30-60分鐘，得到噴墨納米銀線導電墨水。
本發明採用上述步驟（1）中製備的納米銀線直徑20-60 nm，長度2-15 µm。
本發明採用上述步驟（1）中的聚乙烯吡咯烷酮K30的分子量是58000。
本發明採用上述步驟（2）對步驟（1）製備的納米銀線經過超聲震蕩細化處理，需要再經10000 rpm的轉速離心30分鐘去除小尺寸的納米銀線，得到納米銀線的直徑30-60 nm，長度2-4 µm。
本發明採用上述步驟（2）超聲震蕩細化處理的條件是超聲頻率40 KHz，超聲功率70-100W。
本發明採用上述步驟(3)中引入聚乙烯吡咯烷酮K90作為分散劑，K90的分子量是130000。
本發明採用上述步驟（3）製備的納米銀線噴墨導電墨水由下述質量百分含量的物料組成：納米銀線是0.8-2%，聚乙烯吡咯烷酮K90是0.01-0.08%，異丙醇是78-87%，二乙二醇是8-15%，二甘醇單丁醚3-6%，上述各組分的質量百分比含量之和為100%。
本發明的有益效果是：本發明採用納米銀線作為導電墨水的導電組分，可降低導電組分含量，且導電線路具有良好的導電性；超聲震蕩法細化納米銀線，從而獲得適應於噴墨列印的納米銀線，而且也有利於獲得高穩定性的納米銀線導電墨水；採用K90作為分散劑，不僅可有效地分散納米銀線，而且也有利於改善納米銀線在溶劑中的流變學行為；採用異丙醇、二乙二醇和二甘醇單丁醚的混合物作為溶劑，可有效調節墨水的粘度和乾燥速度，避免顆粒堆積造成噴嘴堵塞，同時也可有效地減弱了墨滴的「咖啡環」效應。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例1
所述一種納米銀線噴墨導電墨水，按照如下質量百分比配製：納米銀線是1%，聚乙烯吡咯烷酮K90是0.02%，異丙醇是80.98%，二乙二醇是15%，二甘醇單丁醚3%，上述各組分的質量百分比含量之和為100%。
室溫下配製0.04 mol·L-1的硝酸銀的丙三醇溶液100 mL，攪拌10分鐘，配製0.23 mol·L-1的聚乙烯吡咯烷酮K30的丙三醇溶液100 mL。將聚乙烯吡咯烷酮K30溶液加入到硝酸銀溶液中，攪拌10分鐘，分散均勻。配製0.4 mol·L-1的氯化鈉的丙三醇和水（體積比10：1）11 mL溶液，然後在120 rpm·min-1攪拌速度下將氯化鈉溶液加入到硝酸銀和聚乙烯吡咯烷酮混合溶液中，同時將溶液升溫至205℃。然後自然降溫至室溫。將製備的納米銀線分別用去離子水和乙醇以7000 rpm的轉速離心洗滌30分鐘，並各洗滌2次，得到純化納米銀線。
將上述製備的納米銀線加入到異丙醇中，在超聲頻率40 KHz，超聲功率100W條件下，超聲震蕩180分鐘，再以10000 rpm的轉速離心30分鐘，得到細化的納米銀線。
將0.02%聚乙烯吡咯烷酮K90溶解到異丙醇是80.98%，二乙二醇是15%，二甘醇單丁醚3%混合溶液中，然後加入1%納米銀線,超聲分散10分鐘後，再在1500 rpm·min-1條件下機械攪拌30分鐘，得到噴墨納米銀線導電墨水。
實施例2
所述一種納米銀線噴墨導電墨水，按照如下質量百分比配製：納米銀線是1.2%，聚乙烯吡咯烷酮K90是0.02%，異丙醇是85.78%，二乙二醇是10%，二甘醇單丁醚3%，上述各組分的質量百分比含量之和為100%。
納米銀線的製備過長如實施例1。
將0.02%聚乙烯吡咯烷酮K90溶解到異丙醇是85.78%，二乙二醇是10%，二甘醇單丁醚3%混合溶液中，然後加入1.2%納米銀線,超聲分散10分鐘後，再在1500 rpm·min-1條件下機械攪拌30分鐘，得到噴墨納米銀線導電墨水。
實施例3
所述一種納米銀線噴墨導電墨水，按照如下質量百分比配製：納米銀線是0.9%，聚乙烯吡咯烷酮K90是0.01%，異丙醇是79.09%，二乙二醇是15%，二甘醇單丁醚5%，上述各組分的質量百分比含量之和為100%。
室溫下配製0.05 mol·L-1的硝酸銀的丙三醇溶液100 mL，攪拌10分鐘，配製0.35 mol·L-1的聚乙烯吡咯烷酮K30的丙三醇溶液100 mL。將聚乙烯吡咯烷酮K30溶液加入到硝酸銀溶液中，攪拌10分鐘，分散均勻。配製0.6 mol·L-1的氯化鈉的丙三醇和水（體積比10：1）11 mL溶液，然後在120 rpm·min-1攪拌速度下將氯化鈉溶液加入到硝酸銀和聚乙烯吡咯烷酮混合溶液中，同時將溶液升溫至205℃。然後自然降溫至室溫。將製備的納米銀線分別用去離子水和乙醇以7000 rpm的轉速離心洗滌30分鐘，並各洗滌2次，得到純化納米銀線。
將上述製備的納米銀線加入到異丙醇中，在超聲頻率40 KHz，超聲功率70W條件下，超聲震蕩180分鐘，再以10000 rpm的轉速離心30分鐘，得到細化的納米銀線。
將0.01%聚乙烯吡咯烷酮K90溶解到異丙醇是79.09%，二乙二醇是15%，二甘醇單丁醚5%混合溶液中，然後加入0.9%納米銀線,超聲分散10分鐘後，再在1500 rpm·min-1條件下機械攪拌30分鐘，得到噴墨納米銀線導電墨水。