CN103834235A - 一种导电石墨烯碳浆油墨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电石墨烯碳浆油墨及其制备方法，该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂和树脂连接剂，各组分按照重量份数组成为：导电单元为10-70份；溶剂为10-90份；助剂为0.1-30份；树脂连接剂为0-70份。该导电油墨的制备方法包括：导电单元分散液的制备和导电浆料的制备。本发明的导电石墨烯碳浆油墨制备方法简单，与传统碳浆相比，具有高导电性、印刷膜层薄且均匀光滑、性能优良优点，适用于多种印刷工艺和基材。

Description

一种导电石墨烯碳浆油墨及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电油墨，特别涉及一种导电石墨烯碳浆油墨的制备方法。

背景技术

导电油墨是指印刷于承印物上，使之具有传导电流和排除积累静电荷能力的油墨，是印刷电路、智能标签、柔性显示器件、传感器等印制电子技术中的关键材料，导电油墨性能的提高，必将推动电子产业的发展，同时电子科技的发展也给导电油墨提出了更高的要求，提高性能、降低成本是导电油墨不断追求的目标。

传统的导电油墨基本由导电单元粉体添加到聚合物中复合而成，导电功能单元是最关键的组分，主要有碳、金属或金属氧化物、以及复合物三大类。金、银和铜浆油墨具有优良的导电性，电阻值可达到10^-2～10^-3Ωcm；金、银油墨性能好，但价格昂贵，银自身存在着易迁移、硫化、抗焊锡浸蚀能力差、烧结过程容易开裂等缺陷。铜浆油墨在空气和水作用下会产生氧化层使导电性不稳定。碳浆油墨膜层不易氧化，性能稳定，固化后耐酸、碱和化学溶剂腐蚀，油墨的附着力强，但电阻率较低，一般为10²～10^-1Ωcm。目前金属以及传统的碳浆油墨都存在着自身的优缺点，为提高性能，导电功能单元的改进以及探索应用新导电单元是目前国内外导电油墨研究的发展趋势。

石墨烯是2004年Geim小组报道的新一代纳米碳材料，是一种碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶体点阵的平面薄膜。常温下其电子迁移率超过1.5×104cm2/V·s，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。高导电性、碳材料本质的稳定性以及纳米片层结构等特点都决定了石墨烯可作为优质导电油墨功能单元制备石墨烯油墨。

不同于金属，石墨烯做导电材料存在片层界面电阻。另外，因氧化还原方法原料为来源丰富的石墨，是大规模低成本产业化石墨烯的方法之一，但氧化还原方法制备的石墨烯存在结构缺陷。界面电阻和结构缺陷都导致石墨烯导电材料的实际导电性与石墨烯理论导电性差距很大，并且单纯石墨烯产品应用价格昂贵。中国发明专利201310073034.9公开了一种石墨烯导电油墨及其制备方法，油墨组分中包括树脂、石墨烯、助剂以及溶剂。该油墨采用单独石墨烯做油墨导电单元，因此成本高。以杂化的方式部分引入做导电功能单元，提高性能并降低成本是推动石墨烯油墨应用的有效手段。中国发明专利201210592284.9公开了一种石墨烯基导电油墨、其制备方法及柔性导电薄膜，油墨组分中包括树脂、导电功能单元、溶剂和助剂，其中导电功能单元由负载金属颗粒或者金属片的石墨烯和炭黑与碳纳米管中的一种碳材料构成。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种导电石墨烯碳浆，解决单纯石墨烯油墨成本高昂以及传统碳浆导电性低技术问题，该导电油墨在降低了单纯石墨烯油墨成本的前提下，导电性相对于传统碳浆明显提高。

本发明的目的还在于提供一种印刷高质量电路和适于多种印刷工艺的导电石墨烯碳浆油墨，由该导电油墨印刷的膜层薄且均匀光滑，性能优良；另外，该导电油墨除适用于传统的印刷工艺外，还可调制适用于喷墨、直写等高精印刷工艺。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种导电石墨烯碳浆油墨，该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂和树脂连接剂，各组分按照重量份数组成为：导电单元为10-70份；溶剂为10-90份；助剂为0.1-30份；树脂连接剂为0-70份。

作为优化：所述的含石墨烯的导电功能单元由石墨烯和其它导电碳核材料构成，石墨烯和其它导电碳核材料质量比为1∶0.1～1∶100。

作为优化：所述的其它导电碳核材料包括石墨、导电槽黑、乙炔黑、炉法炭黑、碳纤维、碳晶中的一种或者几种。

作为优化：所述的溶剂包括水、脂肪烃类溶剂、芳香烃类溶剂、醇类溶剂、酮类溶剂、酯类溶剂、醇醚类溶剂、动物油类、矿物油中的一种或者几种。

作为优化：所述的助剂包括分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂、紫外吸收剂中的一种或者几种。

作为优化：所述的树脂连接剂为天然树脂、合成树脂以及天然和合成树脂的改性树脂。

作为优化：所述的天然树脂包括：松香、琥珀、虫胶；所述的合成树脂包括：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物和活性单体、醇酸树脂、乙烯基树脂、合成纤维素、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、热塑性树脂、合成橡胶；所述的改性树脂包括：聚氨酯改性环氧、有机硅改性环氧、有机硅改性丙烯酸环氧树脂、改性酚醛、改性丙烯酸树脂、改性醇酸树脂、蜡以及松香改性树脂或者其共聚物。

作为优化：所述石墨烯的片层尺寸为0.3-1×10⁴nm，片层为单层、双层或多层。

一种导电石墨烯碳浆油墨的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)导电单元分散液制备

根据重量份数称量石墨烯和其它导电碳核材料，与溶剂和分散剂混合，并通过搅拌0.5～6h、超声0.5～12h、研磨0.5～12h分散均匀，制得导电单元分散液；

(2)导电浆料的制备

根据导电油墨组成将导电单元分散液与溶剂、助剂以及树脂混合，并通过搅拌0.5～6h、超声0.5～12h、研磨0.5～12h将浆料混合均匀，经检验包装得到导电石墨烯碳浆油墨。

制备本发明提供的导电石墨烯碳浆包括以上导电功能单元、溶剂、助剂、树脂和制备步骤，但应当理解为，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明要求的限制。

有益效果：本发明提供一种导电石墨烯碳浆及其制备方法，该导电碳浆优势在于：与传统碳浆相比导电性能提高，相同的导电性所需导电单元的添加量减少；石墨烯加入量少，较单纯石墨烯导电油墨成本低。另外，纳米导电单元的加入，使印刷膜层薄且均匀光滑，性能优良，这也大量节省材料，颗粒的减少也决定了该导电油墨适于精细小尺寸的电路印刷。

本发明提供的导电石墨烯碳浆突出的特点是：

(1)本发明所提供的导电石墨烯碳浆固含量、表面张力以及粘度等物理性质可以根据需要调节，适用的印刷基材和印刷工艺广泛。如适用于玻璃、陶瓷、金属、半导体、橡胶、塑料、纸张、纤维等多种基材，以及适用于胶印、凹版、凸版印刷以及丝印传统的印刷，还适用于喷涂、浸涂等，还可调制适用于卷对卷、喷墨、直写等工艺。

(2)纳米导电单元的加入，使印刷膜层薄且均匀光滑，性能优良，这也大量节省材料，颗粒的减少也决定了该导电油墨适于精细小尺寸的电路印刷。

(3)与传统碳浆相比导电性能提高，相同的导电性所需导电单元的添加量减少，使性能和成本得到了优化。

(4)印刷制品不易氧化、性能稳定、耐酸碱和化学溶剂的腐蚀。

具体实施方式：

具体实施方式：下面的实施实例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

综述，一种导电石墨烯碳浆油墨，该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂和树脂连接剂。

含石墨烯的导电功能单元由石墨烯和其它导电碳核材料构成。其它导电碳核材料包括石墨、导电槽黑、乙炔黑、炉法炭黑、碳纤维、碳晶中的一种或者几种。

溶剂包括水、脂肪烃类溶剂、芳香烃类溶剂、醇类溶剂、酮类溶剂、酯类溶剂、醇醚类溶剂、动物油类、矿物油中的一种或者几种。

助剂包括分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂、紫外吸收剂中的一种或者几种。

树脂连接剂为天然树脂、合成树脂以及天然和合成树脂的改性树脂。所述的天然树脂包括：松香、琥珀、虫胶；所述的合成树脂包括：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物和活性单体、醇酸树脂、乙烯基树脂、合成纤维素、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、热塑性树脂、合成橡胶；所述的改性树脂包括：聚氨酯改性环氧、有机硅改性环氧、有机硅改性丙烯酸环氧树脂、改性酚醛、改性丙烯酸树脂、改性醇酸树脂、蜡以及松香改性树脂或者其共聚物。

石墨烯的制备方法包括：氧化还原方法、化学气相沉积方法、溶液剥离方法、溶剂热、高温还原、电化学以及微波等方法。石墨烯的片层尺寸为0.3-1×10⁴nm，片层为单层、双层或多层。

实施例1

一种导电石墨烯碳浆油墨，该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂，各组分按照重量份数组成为：导电单元为10份；溶剂为10份；助剂为0.1份。

一种导电石墨烯碳浆油墨的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)导电单元分散液制备

根据重量份数称量石墨烯和其它导电碳核材料，与溶剂和分散剂混合，并通过搅拌0.5h、超声0.5h、研磨0.5h分散均匀，制得导电单元分散液；

(2)导电浆料的制备

根据导电油墨组成将导电单元分散液与溶剂、助剂混合，并通过搅拌0.5h、超声0.5h、研磨0.5h将浆料混合均匀，经检验包装得到导电石墨烯碳浆油墨。

实施例2

一种导电石墨烯碳浆油墨，该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂和树脂连接剂，各组分按照重量份数组成为：导电单元为70份；溶剂为90份；助剂为30份；树脂连接剂为70份。

一种导电石墨烯碳浆油墨的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)导电单元分散液制备

根据重量份数称量石墨烯和其它导电碳核材料，与溶剂和分散剂混合，并通过搅拌6h、超声12h、研磨12h分散均匀，制得导电单元分散液；

(2)导电浆料的制备

根据导电油墨组成将导电单元分散液与溶剂、助剂以及树脂混合，并通过搅拌6h、超声12h、研磨12h将浆料混合均匀，经检验包装得到导电石墨烯碳浆油墨。

实施例3

一种导电石墨烯碳浆油墨，该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂和树脂连接剂，各组分按照重量份数组成为：导电单元为38份；溶剂为49份；助剂为22份；树脂连接剂为61份。

一种导电石墨烯碳浆油墨的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)导电单元分散液制备

根据重量份数称量石墨烯和其它导电碳核材料，与溶剂和分散剂混合，并通过搅拌4h、超声7h、研磨9h分散均匀，制得导电单元分散液；

(2)导电浆料的制备

根据导电油墨组成将导电单元分散液与溶剂、助剂以及树脂混合，并通过搅拌3h、超声8h、研磨9h将浆料混合均匀，经检验包装得到导电石墨烯碳浆油墨。

Claims (9)

1.一种导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：该油墨包括含石墨烯的导电功能单元、溶剂、助剂和树脂连接剂，各组分按照重量份数组成为：导电单元为10-70份；溶剂为10-90份；助剂为0.1-30份；树脂连接剂为0-70份。

2.如权利要求1所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述的含石墨烯的导电功能单元由石墨烯和其它导电碳核材料构成，石墨烯和其它导电碳核材料质量比为1∶0.1～1∶100。

3.如权利要求2所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述的其它导电碳核材料包括石墨、导电槽黑、乙炔黑、炉法炭黑、碳纤维、碳晶中的一种或者几种。

4.如权利要求1所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述的溶剂包括水、脂肪烃类溶剂、芳香烃类溶剂、醇类溶剂、酮类溶剂、酯类溶剂、醇醚类溶剂、动物油类、矿物油中的一种或者几种。

5.如权利要求1所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述的助剂包括分散剂、稳定剂、保护剂、成膜剂、偶联剂、增塑剂、消泡剂、增稠剂、润湿剂、流平剂、触变剂、交联剂、杀菌剂、光引发剂、热引发剂、紫外吸收剂中的一种或者几种。

6.如权利要求1所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述的树脂连接剂为天然树脂、合成树脂以及天然和合成树脂的改性树脂。

7.如权利要求6所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述的天然树脂包括：松香、琥珀、虫胶；所述的合成树脂包括：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯类低聚物和活性单体、醇酸树脂、乙烯基树脂、合成纤维素、聚酰胺树脂、氯醋树脂、聚氨酯树脂、聚偏氟乙烯树脂、热塑性树脂、合成橡胶；所述的改性树脂包括：聚氨酯改性环氧、有机硅改性环氧、有机硅改性丙烯酸环氧树脂、改性酚醛、改性丙烯酸树脂、改性醇酸树脂、蜡以及松香改性树脂或者其共聚物。

8.如权利要求1所述的导电石墨烯碳浆油墨，其特征在于：所述石墨烯的片层尺寸为0.3-1×10⁴nm，片层为单层、双层或多层。

9.一种导电石墨烯碳浆油墨的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

(1)导电单元分散液制备

根据重量份数称量石墨烯和其它导电碳核材料，与溶剂和分散剂混合，并通过搅拌0.5～6h、超声0.5～12h、研磨0.5～12h分散均匀，制得导电单元分散液；

(2)导电浆料的制备

根据导电油墨组成将导电单元分散液与溶剂、助剂以及树脂混合，并通过搅拌0.5～6h、超声0.5～12h、研磨0.5～12h将浆料混合均匀，经检验包装得到导电石墨烯碳浆油墨。