一種水性導電油墨及其製備方法

2023-05-04 13:39:11 2

專利名稱：一種水性導電油墨及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種以水性高分子樹脂作連結料、導電的乙炔碳墨作顏料，與水、乙醇及助劑等加工而成水性導電油墨的製備技術。
背景技術：
目前，微電子技術正向各個領域滲透，導電印刷技術作為一種高新技術應運而生。例如薄膜開關電路板就是將油墨印刷在PET薄膜上，然後將印好的薄膜與裝潢藝術面板等組合而成；具有結構簡單、外形美觀、耐環境性優良、使用壽命長(100萬次以上)等優點，被廣泛用於傳真機、複印機、電話機、手機、電子玩具、測量裝置和醫療儀器等。油墨印刷電路板工藝簡單，效率高，而且還節約金屬銅，是降低微電子產品成本的一條有效途徑，其他還有用在接觸式傳感面板，印刷扁平精細電纜，低成本太陽能電池，液晶顯示器用電流以及紅外線探測敏感元件等，在微電子領域的應用是多種多樣的。此外還有電熱膜是將油墨印刷在兩層阻燃材料PET之間製成，它是通過導電油墨將電能轉換成熱能、保持一種恆溫方式；其柔性產品可彎折，可根據用戶需要設計不同的功率規格；主要應用於防霧鏡、冰箱除霜、保健品、電熱墊，電熱衣、電熱腰帶、農業大棚、養魚、工業管道保溫、北方汽車反光鏡、火車臥鋪上等各個行業領域。
上述產品的傳統製作方法是用導電炭漿或銀漿，採用絲網印刷的方式。其導電炭漿或銀漿均採用聚酯、環氧、酚醛類樹脂作連結料，以芳烴類、酯類/醇類、酮類、醇醚類等作溶劑，這些產品在使用過程中，由於有機溶劑的揮發，不但汙染環境，危害操作工人的身體健康，且絲網印刷方式產量低、成本高，不能大批量生產。隨著時代的發展和人類的進步，環境保護問題已越來越受到人們的普遍重視，因此對環保型導電印刷油墨的需要也越來越迫切。

發明內容
為克服現有導電印刷技術中存在的問題，本發明提供了一種採用水性高分子樹脂作油墨的連結料，與導電顏料、溶劑及相關助劑經複合研磨加工而成的水性導電油墨，這種油墨具有導電性好、穩定性高、附著力好、固化溫度低、材料資源廣泛的優點，而且其製備方法簡單易行。
本發明提供的技術方案是一種水性導電油墨，含有30～50％的水性高分子樹脂、15～25％的導電顏料乙炔碳墨、12～20％的水、8～12％的乙醇、3～8％的乙二醇丁醚、4～9％的矽烷表面處理劑、2～5％的防靜電劑和1～3％助劑，助劑至少包含分散劑、消泡劑、流平劑，以上百分比均為質量百分比。
其中，水性高分子樹脂為能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂。
本發明提供的上述油墨的製備方法是先製備能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂待用，然後選用乙炔碳墨作導電顏料，再採用如下具體步驟製得(1)按配方所需將樹脂、導電顏料、水、乙醇、乙二醇丁醚和矽烷表面處理劑稱準量投入到分散釜內，充分攪拌分散均勻。
(2)將分散好的物料轉移至砂磨機內研磨至細度達到10μm以下。
(3)將研磨好的物料過濾，與防靜電劑、助劑分散均勻後，即製得所需油墨。
其中，改性丙烯酸水溶性樹脂由有機矽單體和丙烯酯類單體進行接枝共聚而製成。
本發明提供的水性導電油墨的突出特點是1、改性水性丙烯酸樹脂能滿足導電油墨連結料的特性要求。
連結料是導電油墨中的成膜物質，在油墨中連結料並不一定要求是導電性的聚合物，它僅要求只要在某一溫度範圍內固化時不產生電阻率，這一點是導電油墨的特性。作為連結料的樹脂在油墨中既起到導電顏料的密封作用，又起到導電粒子連結成膜的作用，所以需要採用電阻變化小，穩定性高的高分子聚合物作為連結料，使導電粒子在連結料中分散性好、移動性小、導電誤差小，能夠賦於油墨膜的物理和化學穩定性。連結料在印刷圖形前使導電顏料構成一定粘度的印料，以完成印刷方式的圖形轉移，印刷後經過固化過程，使導電顏料的微粒與微粒之間，微粒與基材之間形成穩定的結合。利用目前市場上現有的水性樹脂作為粘連劑，製成水性導電油墨，結果發現這些連結料對PET薄膜的附著力差，脆性大，不能滿足製備導電油墨的要求。於是我們考慮用韌性好、疏水性強、表面張力小的有機矽單體和丙烯酯類單體進行接枝共聚而製成水溶性的高分子樹脂，以改善水性丙烯酸樹脂的表面張力，降低樹脂的內聚力和提高樹脂的柔韌性，從而提高了樹脂對PET薄膜的附著力。而水性丙烯酸樹脂已是公認的環保型樹脂，也達到了導電油墨連結料的要求。
2、導電顏料乙炔碳墨價廉物美。
導電顏料就是導電粒子，它要求導電性好，穩定性高，固化溫度低，材料來源廣泛，常用的有金粉、銀粉、銅粉、鎳粉、鋁粉、碳黑、石墨及其他複合粉末。選擇碳黑為導電顏料時，考慮雖然導電性沒有銀粉高，但價格便宜，也能滿足防靜電要求，如用量得當，對油墨的物理性能影響不大。乙炔碳墨作為油墨的導電顏料，其平均粒徑只有4μm，DET比表面積為65(m2/g)，吸油值為250(g/100g)；兼顧導電油墨的導電性和較好的塗層性能，並考慮到要儘量降低生產成本，選擇的炭黑濃度在15％～30％的穩定區域，這樣綜合性的考慮發現乙炔碳墨作為油墨的導電顏料是適合的。
3、選擇去離子水，乙醇等作為油墨的溶劑是完全環保型的。
溶劑在導電油墨中的主要作用是(1)溶解樹脂，使導電微粒(即顏料)在聚合物中充分的分散，給予墨性。(2)調節粘度，給與印刷適應性。(3)調節油墨的乾燥速度。水性導電油墨的溶劑特別要求不但要有親水性，而且也應具有環保特性。我們選擇的去離子水，乙醇和乙二醇丁醚作為油墨的溶劑，與高分子水性樹脂、導電顏料完全相匹配，從而保證了水性導電油墨的環保性能。
4、選擇助劑適當。
助劑的加入會對導電油墨的導電性能產生不良影響，在權衡利弊的情況下我們適宜地有選擇性的加了些矽烷表面處理劑、分散劑、消泡劑、流平劑、防靜電劑等。這些助劑的加入均能使水性導電油墨的產品質量得到提高。
這樣製作出的水性導電油墨產品的主要特點如下(1)產品不帶刺激性氣味，無有機溶劑(VOC)揮發，有利於環保，保障了印刷車間操作工人的安全健康。
(2)產品在使用過程中可直接用水稀釋，印刷完畢後印刷設備可直接用水清洗，對印刷車間環境無汙染。
(3)產品不但適用於傳統的絲網印刷，而且更適用當今先進的柔性版，凹版印刷方式。與絲網印刷對比，提高生產效率20倍以上，並可連續性生產。
(4)產品低溫固化，墨層固化快，附著牢度好，固化溫度在100℃以內。
(5)滿足電阻率低、導電性能好，穩定性高的使用要求，且材料來源廣，生產成本低，絕對為綠色產品。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發明作進一步闡明，實施例僅在於說明本發明而決不限制本發明。
實施例1先用有機矽單體和丙烯酯類單體進行接枝共聚製備能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂待用。按配方稱準量取36％改性丙烯酸水溶性樹脂、18％乙炔碳墨、18％水、12％乙醇、5％乙二醇丁醚、6％矽烷表面處理劑、3％防靜電劑、2％助劑，助劑包含分散劑1％、消泡劑0.5％、流平劑0.5％，以上百分比均為質量百分比。將樹脂、導電顏料、水、乙醇、乙二醇丁醚和矽烷表面處理劑投入到分散釜內，充分攪拌分散均勻。再將分散好的物料轉移至砂磨機內研磨至細度達到10μm以下。最後將研磨好的物料過濾，與防靜電劑、助劑分散均勻後，即製得所需油墨。
按上述比例製備成的水性導電油墨產品的主要技術指標如下表

將該水性導電油墨產品用凹版印刷方式在PET薄膜上印刷，製作成的建築用電熱膜產品(20W/片)，在民用建築中可安裝在天棚內或在地板內，經用戶試用的實際考驗和油墨質量檢測證明，水性導電油墨達到了預期的質量水平。
實施例2先用有機矽單體和丙烯酯類單體進行接枝共聚製備能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂待用。按配方量取42％改性丙烯酸水溶性樹脂、20％乙炔碳墨、16％水、9％乙醇、4％乙二醇丁醚、5％矽烷表面處理劑、2％防靜電劑、2％助劑(包含分散劑1％、消泡劑0.5％、流平劑0.5％等)。以上百分比均為質量百分比。
製備導電油墨的具體操作步驟同實施例1，製備成的水性導電油墨產品的主要技術指標如下細度≤10μm粘度1000～3000cpPH值8.0～9.0表面電阻 ≤5Ω/cm2(可根據需要調節)體積電阻(墨膜厚10μm)≤1×10-2Ω·cm(可根據需要調節)鉛筆硬度 ≥3H附著力 100％(膠帶剝離試驗)耐熱性 (85℃52℃，480h)電阻值變化在10％以內耐溼性 (40℃190％RH480h)電阻值變化在10％以內耐彎曲性 在360度範圍內折曲3次，電阻值的變化在15％以內將本品採用絲網印刷方式在聚酯膜上印刷，製作成的手寫板耐按壓，無裂紋，產品性能穩定。還可廣泛適用於印製薄膜開關、控制儀器、工業電腦、電訊儀器等電子產品的電路板。
實施例3先用有機矽單體和丙烯酯類單體進行接枝共聚製備能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂待用。按配方量取44％改性丙烯酸水溶性樹脂、16％乙炔碳墨、12％水、10％乙醇、6％乙二醇丁醚、7％矽烷表面處理劑、2％防靜電劑、3％助劑(包含分散劑1％、消泡劑0.5％、流平劑0.5％等)。以上百分比均為質量百分比。
製備導電油墨的具體操作步驟同實施例1，製備成的水性導電油墨產品的主要技術指標如下細度≤5μm粘度1000～3000cpPH值8.0～9.0表面電阻 5Ω/cm2(可根據需要調節)體積電阻(墨膜厚1.5μm)≤1×10-2Ω·cm(可根據需要調節)鉛筆硬度 ≥2H
附著力100％(膠帶剝離試驗)耐熱性(85℃52℃，480h)電阻值變化在10％以內耐溼性(40℃190％RH480h)電阻值變化在10％以內耐彎曲性 在360度範圍內折曲3次，電阻值的變化在15％以內將本品採用柔版印刷方式在PVC片材上印刷，製作成的電子產品包裝袋起屏弊作用。
權利要求
1.一種水性導電油墨，含有30～50％的水性高分子樹脂、15～25％的導電顏料乙炔碳墨、12～20％的水、8～12％的乙醇、3～8％的乙二醇丁醚、4～9％的矽烷表面處理劑、2～5％的防靜電劑和1～3％助劑，助劑至少包含分散劑、消泡劑、流平劑，以上百分比均為質量百分比。
2.根據權利要求1所述的水性導電油墨，其特徵是水性高分子樹脂為能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂。
3.權利要求1所述水性導電油墨的製備方法，其特徵是先製備能在100℃以內即能產生交聯固化，又不產生電阻率的改性丙烯酸水溶性樹脂待用，然後選用乙炔碳墨作導電顏料，再採用如下具體步驟製得(1)按配方所需將水性高分子樹脂、導電顏料、水、乙醇、乙二醇丁醚和矽烷表面處理劑稱準量投入到分散釜內，充分攪拌分散均勻。(2)將分散好的物料轉移至砂磨機內研磨至細度達到10μm以下。(3)將研磨好的物料過濾，與防靜電劑、助劑分散均勻後，即製得所需油墨。
4.根據權利要求3所述水性導電油墨的製備方法，其特徵是改性丙烯酸水溶性樹脂由有機矽單體和丙烯酯類單體進行接枝共聚而製成。
全文摘要
本發明提供了一種水性導電油墨及其製備方法，水性導電油墨含有30～50％水性高分子樹脂、15～25％導電顏料乙炔碳墨、12～20％的水、8～12％的乙醇、3～8％的乙二醇丁醚、4～9％矽烷表面處理劑、2～5％的防靜電劑和1～3％助劑。該油墨用水性高分子樹脂作連結料，與導電顏料、溶劑及相關助劑經複合研磨加工而成，具有電阻率低、導電性能穩定、耐彎曲性好、附著力強，在使用中對環境和人體都不存在危害的特點；克服了傳統溶劑型導電油墨汙染環境、危害工人健康，所用絲網印刷方式產量低、成本高的弊病。該油墨濃度高、粘度低、印刷適應性好，尤其適合柔版和凹版印刷，能大幅提高電子產品的生產效率。
文檔編號C09D11/10GK1850920SQ200610019148
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者錢俊, 劉武輝, 馬立勝 申請人:武漢大學