本發(fā)明涉及一種導(dǎo)電油墨，具體涉及一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿及其制備方法。
背景技術(shù)：
：絲網(wǎng)印刷是一種常用的印刷技術(shù)，通過一定的壓力使油墨通過絲印網(wǎng)版的孔眼轉(zhuǎn)移到承印物上從而獲得不同形狀、功能的印刷涂層。導(dǎo)電油墨可經(jīng)絲網(wǎng)印刷在塑料、玻璃、陶瓷或紙板等非導(dǎo)電承印物上印制導(dǎo)電薄膜、微型電極和RFID無線射頻識(shí)別的天線等。絲網(wǎng)印刷制備出的導(dǎo)電涂層厚度均勻，重現(xiàn)性好，工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。導(dǎo)電油墨是用導(dǎo)電填料、粘結(jié)劑、溶劑及助劑制成的具有導(dǎo)電特性的功能性油墨。導(dǎo)電填料是決定導(dǎo)電油墨導(dǎo)電性能的功能相，常用的導(dǎo)電填料有金粉、銀粉、銅粉、鎳粉、導(dǎo)電炭黑、石墨、碳纖維及其混合物等。導(dǎo)電油墨按導(dǎo)電填料的不同可分為金系導(dǎo)電油墨、銀系導(dǎo)電油墨和碳系導(dǎo)電油墨等，其中碳系導(dǎo)電油墨又稱為導(dǎo)電碳漿。金粉、銀粉化學(xué)穩(wěn)定性好，電導(dǎo)率高，但是價(jià)格昂貴，限制了金系和銀系導(dǎo)電油墨的大規(guī)模應(yīng)用。銅粉具有良好的傳導(dǎo)性，但銅極易氧化，穩(wěn)定性差。導(dǎo)電碳漿的導(dǎo)電填料是碳粉，包括導(dǎo)電炭黑、石墨、碳纖維及各種新型碳材料，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，印刷涂層的電阻穩(wěn)定性好，且資源豐富、成本低，但是導(dǎo)電碳漿的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能與耐濕熱性能欠佳。因此有必要尋找其他的導(dǎo)電填料與碳粉復(fù)合，以提高導(dǎo)電碳漿的綜合性能。石墨烯是一種新型的二維納米碳材料，電阻率低，柔韌性好。以石墨烯為導(dǎo)電填料的導(dǎo)電油墨具有良好的導(dǎo)電性。但是石墨烯具有比表面積大和難分散納米特性，片層與片層極易發(fā)生團(tuán)聚，單純以其為導(dǎo)電填料制備的導(dǎo)電油墨絲印適應(yīng)性差、涂層表面易產(chǎn)生橘皮效應(yīng)，不能充分發(fā)揮其優(yōu)異的導(dǎo)電性能。傳統(tǒng)的導(dǎo)電油墨大多是油溶性的，可能還有丁酮、醋酸乙酯、醋酸丁酯、甲苯、二甲苯等對(duì)人體有害的有機(jī)溶劑，而且有些還是有臭味、有毒性、高沸點(diǎn)的溶劑，危害人們的健康。另外，印刷人員長期接觸有機(jī)溶劑，在含有高濃度VOC的環(huán)境中工作，身體健康特別是神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)受到極大的損害。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升以及與環(huán)保相關(guān)的法制法規(guī)日趨完善，環(huán)境友好的水性導(dǎo)電漿料必將逐步替代傳統(tǒng)的油溶性導(dǎo)電漿料。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉，對(duì)環(huán)境友好，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能與耐濕熱性能的基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿及其制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿，其按質(zhì)量百分比計(jì)算的組成為：粘結(jié)劑：5-20％，混合溶劑：65-85％，石墨烯：0.1-5％，炭黑：1-15％，分散劑：0.05-1％，消泡劑：0.1-1％，交聯(lián)劑：0.1-1％，增稠劑：0.1-1％。所述粘結(jié)劑為水溶性高分子乳液，可在常溫條件下自然干燥成膜，包含水性丙烯酸樹脂乳液、水性聚氨酯乳液中的一種或兩種。所述混合溶劑包括水與醇類形成的溶劑，水和醇類的質(zhì)量比為6:4-9:1，醇類為丙三醇、丙二醇、異丙醇等中的一種或幾種。為了消除“咖啡環(huán)”效應(yīng)，溶劑必須由高沸點(diǎn)、低表面張力溶劑與低沸點(diǎn)、高表面張力溶劑混合而成。所述石墨烯包括單層石墨烯、雙層石墨烯以及十層以下的石墨烯中的一種或幾種，優(yōu)選中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所生產(chǎn)的導(dǎo)電型石墨烯。所述增稠劑為纖維素、羧甲基纖維素(CMC)、聚氧乙烯、聚丙烯酸、天然膠及其改性物、硅酸鋁鎂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、氮丙啶交聯(lián)劑(XR-100)等中的任一種。所述炭黑為超導(dǎo)電炭黑，包括但不限于荷蘭AKZO(阿克蘇·諾貝爾)公司的科琴碳黑(KetjenblackEC300J、600JD型)、德國Degussa公司的PrintexXE-2B及美國Cabot公司的BP2000(BlackPearls2000)，優(yōu)選阿克蘇·諾貝爾生產(chǎn)的科琴黑EC300J。所述的分散劑為油酸鈉、羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽、聚丙烯酸鈉鹽水溶液(P-19)、聚羧酸鈉鹽(D-5045)等陰離子型表面活性劑中的一種或幾種，或者是十八碳烯胺醋酸鹽等陽離子型表面活性劑中的一種或幾種，或者是脂肪酸環(huán)氧乙烷的加成物、聚乙二醇型多元醇和聚乙烯亞胺衍生物等非離子型表面活性劑中的一種或幾種。所述的消泡劑為由硅、酯、乳化劑組成的復(fù)合型消泡劑(SPA-202)、異丙醇、丁醇、聚醚消泡劑(F291)、磷酸三丁酯、XPJ-S210通用型水性有機(jī)硅消泡劑、特種聚醚酯(非有機(jī)硅K-510)、聚醚改性有機(jī)硅消泡劑等有機(jī)硅消泡劑中的一種或幾種。所述的交聯(lián)劑為蜜胺-甲醛樹脂、交聯(lián)PVC樹脂(KM-60)、氰特氨基樹脂(CYMEL327)、氮丙啶、聚碳化二亞胺(PCDI)、多異氰酸酯、環(huán)氧硅烷、水性有機(jī)硅交聯(lián)劑(XR-501)中的一種或幾種。本發(fā)明的制備方法，包括以下步驟：(1)按水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿組成，將水和醇類配成混合溶劑加入到攪拌分散機(jī)中，分別將增稠劑、消泡劑、交聯(lián)劑和分散劑加入到上述混合溶劑中，在真空度為-0.04MPa--0.09MPa的條件下攪拌分散獲得預(yù)分散液，其中攪拌轉(zhuǎn)速為50r/min-500r/min，攪拌時(shí)間60min-180min；(2)將石墨烯、炭黑加入到步驟(1)所制的預(yù)分散液中，在攪拌分散機(jī)中以常壓狀態(tài)攪拌分散，獲得懸浮液，其中攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min-500r/min，攪拌時(shí)間30min-90min；(3)將粘結(jié)劑加入步驟(2)的懸浮液中，在真空度為-0.04MPa--0.09MPa的條件下高速攪拌均勻，其中攪拌轉(zhuǎn)速為1000r/min-2000r/min，攪拌時(shí)間1h-10h；(4)將步驟(3)所得樣品研磨至粒度在5μm以下。如上所述的研磨是采用三輥研磨機(jī)。本發(fā)明基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿可應(yīng)用于薄膜開關(guān)、印制電阻、發(fā)熱壁畫、厚膜加熱和印刷線路等領(lǐng)域。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明采用碳系材料，極大地降低了漿料的材料成本；而且在炭黑中加入石墨烯，可改變和優(yōu)化碳系導(dǎo)電填料在漿料中的堆積方式，石墨烯能夠很好地填充到炭黑顆粒之間的空隙，且炭黑顆粒在石墨烯片層間的分布也有助于石墨烯的分散，更易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使?jié){料獲得最佳的導(dǎo)電性。摻入石墨烯后，填充密度明顯提高，粒子間排列更為緊密。本發(fā)明采用的粘結(jié)劑是水溶性的，可常溫自干，降低了導(dǎo)電碳漿的使用溫度，擴(kuò)大了導(dǎo)電碳漿的使用范圍。本發(fā)明用水作為導(dǎo)電碳漿的主要溶劑，克服了傳統(tǒng)溶劑型導(dǎo)電碳漿易污染環(huán)境、危害工人健康等弊端，進(jìn)一步降低成本。室溫下即可固化，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能與耐濕熱性能。附圖說明圖1為實(shí)施例1制備的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的粘度曲線圖2為用實(shí)施例1制備的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿絲網(wǎng)印刷出的導(dǎo)電膜圖3為實(shí)施例1印制的導(dǎo)電膜的橫截面的掃描電鏡圖具體實(shí)施方式以下通過下述實(shí)施例來更詳細(xì)地說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限定于以下實(shí)施例。實(shí)施例1表1實(shí)施例1配方表原料名稱質(zhì)量/g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％水性丙烯酸樹脂乳液7.55水10570異丙醇1510導(dǎo)電炭黑(KetjenblackEC300J)1812中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所導(dǎo)電型石墨烯0.150.1陰離子型聚丙烯酸鈉鹽水溶液(P-19)1.20.8SPA-2021.51XR-5010.150.1羧甲基纖維素1.51總計(jì)150100按照表1所示配方稱取各組分原料，一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的制備方法如下：1.稱取105g水,15g異丙醇倒入攪拌分散釜，并加入1.2g分散劑P-19，1.5g消泡劑SPA-202，0.15g交聯(lián)劑XR-501和1.5g增稠劑羧甲基纖維素。抽真空到-0.09MPa，以50r/min的轉(zhuǎn)速攪拌180min。2.稱取18g科琴黑EC300J和0.15g中科碳美導(dǎo)電型石墨烯，加入到步驟1所述的混合溶液中，在攪拌分散機(jī)中攪拌分散。其中攪拌轉(zhuǎn)速為100r/min，攪拌時(shí)間90min。3.稱取7.5g水性丙烯酸樹脂乳液加入到步驟2所述的懸浮液中，在真空度-0.09MPa的條件下高速攪拌均勻。其中攪拌轉(zhuǎn)速為1000r/min，攪拌時(shí)間10h。4.將步驟3所得水性導(dǎo)電碳漿用三輥研磨機(jī)研磨至粒度在5μm以下。經(jīng)測試，上述過程制備出的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的粘度為8600mPa·s，固含量為15.6％。將所述水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿經(jīng)絲網(wǎng)印刷于PET基底上，室溫下放置15分鐘后即完全干燥，經(jīng)測試膜厚度為15μm，電阻率為1.5Ω·cm。與PET膜附著力經(jīng)3M膠帶測試，結(jié)果為4級(jí)以上，滿足使用要求。經(jīng)20次彎折后的電阻率為1.58Ω·cm，變化小于10％。實(shí)施例2表2實(shí)施例2配方表原料名稱質(zhì)量/g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％水性丙烯酸樹脂乳液3020水58.539丙二醇3926導(dǎo)電炭黑600JD1510常州第六元素導(dǎo)電型石墨烯3.62.4油酸鈉1.51磷酸三丁酯1.51氮丙啶0.750.5羧甲基纖維素0.150.1總計(jì)150100按照表2所示配方稱取各組分原料，一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的制備方法如下：1.稱取58.5g水,39g丙二醇倒入攪拌分散釜，并加入1.5g分散劑油酸鈉，1.5g消泡劑磷酸三丁酯，0.75g交聯(lián)劑氮丙啶和0.15g增稠劑纖維素。抽真空到-0.04MPa，以500r/min的轉(zhuǎn)速攪拌60min。2.稱取15g科琴黑EC300J和3.6g中科碳美導(dǎo)電型石墨烯，加入到步驟1所述的混合溶液中，在攪拌分散機(jī)中攪拌分散。其中攪拌轉(zhuǎn)速為500r/min，攪拌時(shí)間30min。3.稱取30g水性丙烯酸樹脂乳液加入到步驟2所述的懸浮液中，在真空度-0.04MPa的條件下高速攪拌均勻。其中攪拌轉(zhuǎn)速為2000r/min，攪拌時(shí)間1h。4.將步驟3所得水性導(dǎo)電碳漿用三輥研磨機(jī)研磨至粒度在5μm以下。經(jīng)測試，制備出的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的粘度為13000mPa﹒s，固含量為21.4％。將所述水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿經(jīng)絲網(wǎng)印刷復(fù)合于PET基底上，室溫下放置20分鐘后即完全干燥，經(jīng)測試膜厚度為18μm，電阻率為1.0Ω·cm。與PET膜附著力經(jīng)3M膠帶測試，結(jié)果為4級(jí)以上，滿足使用要求。經(jīng)20次彎折后的電阻率為1.05Ω·cm，變化小于10％。實(shí)施例3表3實(shí)施例3配方表原料名稱質(zhì)量/g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％水性丙烯酸樹脂乳液128水82.555丙二醇4530super-P型導(dǎo)電炭黑1.51常州第六元素導(dǎo)電型石墨烯7.55十八碳烯胺醋酸鹽0.450.3F2910.450.3CYMEL3270.450.3聚丙烯酸0.150.1總計(jì)150100按照表3所示配方稱取各組分原料，一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的制備方法如下：1.稱取82.5g水,45g丙二醇倒入攪拌分散釜，并加入0.45g分散劑十八碳烯胺醋酸鹽，0.45g消泡劑F291，0.45g交聯(lián)劑CYMEL327和0.15g增稠劑聚丙烯酸。抽真空到-0.06MPa，以150r/min的轉(zhuǎn)速攪拌150min。2.稱取1.5g科琴黑EC300J和7.5g中科碳美導(dǎo)電型石墨烯，加入到步驟1所述的混合溶液中，在攪拌分散機(jī)中攪拌分散。其中攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min，攪拌時(shí)間90min。3.稱取12g水性丙烯酸樹脂乳液加入到步驟2所述的懸浮液中，在真空度-0.07MPa的條件下高速攪拌均勻。其中攪拌轉(zhuǎn)速為1500r/min，攪拌時(shí)間8h。4.將步驟3所得水性導(dǎo)電碳漿用三輥研磨機(jī)研磨至粒度在5μm以下。經(jīng)測試，制備出的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的粘度為14500mPa·s，固含量為9.9％。將所述水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿經(jīng)絲網(wǎng)印刷復(fù)合于PET基底上，室溫下放置15分鐘后即完全干燥，經(jīng)測試膜厚度為12μm，電阻率為0.5Ω·cm。與PET膜附著力經(jīng)3M膠帶測試，結(jié)果為4級(jí)以上，滿足使用要求。經(jīng)20次彎折后的電阻率為0.54Ω·cm，變化小于10％。實(shí)施例4表4實(shí)施例4配方表按照表4所示配方稱取各組分原料，一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的制備方法如下：1.稱取101.25g水,11.25g丙三醇倒入攪拌分散釜，并加入1.5g分散劑D-5045，1.5g消泡劑K-510，1.5g交聯(lián)劑XR-100和1.5g增稠劑KM-60。抽真空到-0.06MPa，以400r/min的轉(zhuǎn)速攪拌120min。2.稱取15g科琴黑EC300J和1.5g中科碳美導(dǎo)電型石墨烯，加入到步驟1所述的混合溶液中，在攪拌分散機(jī)中攪拌分散。其中攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min，攪拌時(shí)間50min。3.稱取15g水性丙烯酸樹脂乳液加入到步驟2所述的懸浮液中，在真空度-0.06MPa的條件下高速攪拌均勻。其中攪拌轉(zhuǎn)速為1700r/min，攪拌時(shí)間7h。4.將步驟3所得水性導(dǎo)電碳漿用三輥研磨機(jī)研磨至粒度在5μm以下。經(jīng)測試，制備出的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的粘度為12500mPa﹒s，固含量為16.7％。將所述水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿經(jīng)絲網(wǎng)印刷復(fù)合于PET基底上，室溫下放置15分鐘后即完全干燥，經(jīng)測試膜厚度為15μm，電阻率為0.4Ω·cm。與PET膜附著力經(jīng)3M膠帶測試，結(jié)果為4級(jí)以上，滿足使用要求。經(jīng)20次彎折后的電阻率為0.43Ω·cm，變化小于10％。實(shí)施例5表5實(shí)施例5配方表原料名稱質(zhì)量/g質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％水性丙烯酸樹脂乳液1812水9060丙二醇17.2511.5日本三菱導(dǎo)電炭黑MA-10022.515中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所導(dǎo)電型石墨烯0.150.1HT-50400.150.1SPA-2020.150.1XR-5010.30.2TT-9351.51總計(jì)150100按照表5所示配方稱取各組分原料，一種基于石墨烯-炭黑復(fù)合填料的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的制備方法如下：1.稱取90g水,17.25g丙二醇倒入攪拌分散釜，并加入0.15g分散劑HT-5040，0.15g消泡劑SPA-202，0.3g交聯(lián)劑XR-501和1.5g增稠劑TT-935。抽真空到-0.05MPa，以400r/min的轉(zhuǎn)速攪拌150min。2.稱取22.5g科琴黑EC300J和0.15g中科碳美導(dǎo)電型石墨烯，加入到步驟1所述的混合溶液中，在攪拌分散機(jī)中攪拌分散。其中攪拌轉(zhuǎn)速為350r/min，攪拌時(shí)間90min。3.稱取18g水性丙烯酸樹脂乳液加入到步驟2所述的懸浮液中，在真空度-0.09MPa的條件下高速攪拌均勻。其中攪拌轉(zhuǎn)速為1200r/min，攪拌時(shí)間8h。4.將步驟3所得水性導(dǎo)電碳漿用三輥研磨機(jī)研磨至保粒度在5μm以下。經(jīng)測試，制備出的水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿的粘度為12000mPa﹒s，固含量為20.6％。將所述水性環(huán)保導(dǎo)電碳漿經(jīng)絲網(wǎng)印刷復(fù)合于PET基底上，室溫下放置15分鐘后即完全干燥，經(jīng)測試膜厚度為18μm，電阻率為0.8Ω·cm。與PET膜附著力經(jīng)3M膠帶測試，結(jié)果為4級(jí)以上，滿足使用要求。經(jīng)20次彎折后的電阻率為0.86Ω·cm，變化小于10％。以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本發(fā)明專利所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3