碳系导电油墨印刷适应性及环保性研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-09 09:58 热度：

摘 要：导电油墨是一种功能性油墨，由导电填料、连接剂、溶剂、助剂等组成，可以应用到电子、纺织、工程等领域，在透明电极、柔性可穿戴设备等方面具有广阔的应用前景。按照导电填料的成分

　　导电油墨是一种功能性油墨，由导电填料、连接剂、溶剂、助剂等组成，可以应用到电子、纺织、工程等领域，在透明电极、柔性可穿戴设备等方面具有广阔的应用前景。按照导电填料的成分，导电油墨可分为无机类、有机类、复合类。无机类填料主要包含碳系填料，如炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯等，有机类填料包括金、银、铜等金属。碳系材料与聚合物之间的相容性和结合性较强，且大部分碳材料的比表面积大，尽管金属系材料的电导率高于碳系材料，但在相同电导率的情况下，碳系填料在聚合物中的填充量低于金属系填料，造价成本较低。

　　印刷适应性是指纸张、油墨等印刷材料之间相互适应的性能，比如油墨性能有黏度、触变性、干燥性、流动性、黏着性、拉丝性等，纸张性能有吸收性、白度、pH值、光滑度等。印刷适应性是决定印刷好坏的关键，因此要控制油墨的黏度、流动性、触变性等性能。影响导电油墨导电性能的因素有很多，如油墨本身的组成，导电填料的性能、量以及碳系导电油墨印刷适应性及环保性研究与溶剂、连接剂、助剂等的配比。印刷工艺也会影响导电性，如油墨的厚度、有无毛边、有无缺口，干燥油墨时的设定温度以及时间等。承印物的材料特征、表面粗糙度等也会影响导电油墨的性能。

　　油墨环保性测试包括重金属含量检测、芳香烃溶剂检测、挥发性有机化合物(V O C s)检测。V O C s 含量的控制在建筑、装修中十分重要，必须符合国家标准。早前油墨采用有机溶剂易产生V O C s，对人体、环境均有害，水性油墨的溶剂一般为100%的水，无V O C s排放。在丝网印刷过程中，导电油墨的黏度至关重要。黏度过大，油墨不易均匀地渗过网眼，导致油墨转移后厚度不匀造成糊版，甚至引起堵网;反之，则会出现漏墨、墨层厚度薄、导电性能差等问题。丝网印刷油墨黏度要求一般为4 000～ 12 000 m P a·s，但为了使油墨黏度满足印刷条件，往往需要加入溶剂去稀释油墨，随之带来环保性问题。本文着重探究碳系导电油墨的V O C s含量，当导电油墨在研磨过程中黏度达到最大值时的印刷适应性，在符合环保性要求的前提下往导电油墨中加入丙二醇甲醚PM，实现印刷适应性最佳。

　　本次实验以去离子水为溶剂，水可稀释性丙烯酸树脂为连接剂，导电炭黑、石墨等多种碳材料为导电填料制备碳系导电油墨。取不同研磨圈数下的油墨，对其黏度、方阻进行表征及分析，并将丙二醇甲醚P M加入导电油墨中进行混合，测试其黏度及 V O C s排放量，与未加入丙二醇甲醚P M的油墨进行对比分析，探究该导电油墨的印刷适应性与环保性。

　　一、实验

　　1.实验材料

　　主要材料：尚高Disper sago-9720水性体系高分子润湿分散剂，广州市斯涂源化工有限公司;水可稀释性丙烯酸树脂C F W905，潍坊富乐新材料有限公司;导电炭黑，河北墨钰化工有限公司;石墨，青岛岩海碳材料有限公司;T H I X-278有机硅消泡剂，烟台恒鑫化工科技有限公司;丙二醇甲醚P M，上海凯茵化工有限公司。

　　2.实验仪器

　　主要仪器：电子天平F A1104N，上海菁海仪器有限公司;干燥箱9140A型，上海索普仪器有限公司;分散研磨机F S-400D(玻璃研磨珠直径为3 m m)杭州大卫科教仪器有限公司;搅拌器D2010W，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;四探针2401，Keithley 公司;超声清洗器K Q-300D E，昆山市超声仪器有限公司;超纯水器U P I-I-5T，四川优谱超纯科技有限公司;数字万用表安捷伦34410A，安捷伦科技(中国)有限公司;旋转黏度计N D J-8S，上海越平科学仪器有限公司;千分尺丝网印刷机Y S-4060D，深圳市亿宝莱印刷设备有限公司。

　　3.实验步骤

　　⑴制备碳系导电油墨

　　将质量分数为10%的s a g o-9720水性体系高分子润湿分散剂和质量分数为62.89%的去离子水在常温下用搅拌机搅拌1 h，直至充分混合。再依次加入碳材料，导电炭黑的质量分数控制在5.56%，石墨质量分数控制在8.89%，同时加入质量分数为1.33%的 T H I X-278有机硅消泡剂，分散1h。最后加入质量分数为10%的水可稀释性丙烯酸树脂与1.33%的T H I X278有机硅消泡剂，混合15 m i n。得到分散后的碳系导电油墨。

　　⑵测试分散后导电油墨的黏度和方阻

　　采用旋转黏度计测出油墨黏度，测试数据应取油墨静置后，转子旋转30～60 s的示数。将油墨均匀涂布于玻璃片表面，置于80 ℃干燥箱中，干燥 20 m i n，取出置于室温后，使用四探针和千分尺计算得出导电油墨方阻。

　　⑶研磨导电油墨

　　将分散后的导电油墨导入研磨机中，每两圈为一个循环，取出油墨，以上述相同方法测得导电油墨的黏度及方阻，探究球磨机对导电油墨性能的影响。

　　⑷将丙二醇甲醚PM与水分别加入导电油墨

　　选择研磨过程中电阻值最小时的导电油墨，往导电油墨中分别加入质量分数为2%、4%、6%、 8%、10%、12%的丙二醇甲醚PM，搅拌30 min直至混合充分。

　　⑸测试VOCs排放量

　　将未加入丙二醇甲醚P M的导电油墨与分别加入质量分数为2%、4%、6%、8%、10%、12%丙二醇甲醚 P M的导电油墨送去检测机构检测，并对比分析7种样品的V O C s排放量，探究该导电油墨的环保性与印刷适应性关系。

　　二.结果与分析

　　1.研磨圈数对导电油墨性能的影响

　　该导电油墨分散后黏度为1 200 m P a·s，方阻为29.2Ω/s q。研磨圈数共16圈，每两圈取一次样，共取8次样，将测得的黏度、方阻数据生成折线图(图1)。

　　由图1可知，导电油墨黏度整体上随着研磨圈数的增加而增加，原因是研磨使得大颗粒的碳材料粒径逐渐增大，粒径减小的碳材料颗粒比表面积也随之增大，同时表面能增加，碳材料颗粒之间的吸附能力明显增强，黏度呈上升趋势。在研磨圈数为14 圈时，黏度达到最大值，为7 040 mPa·s，随后到达第16圈时略有下降，可能是研磨过程中比表面积较大的部分小颗粒粒子团聚成大颗粒所致。研磨过程中，碳材料颗粒的粒径变小，比表面积增大，颗粒表面积累了大量的正电荷或负电荷，这些碳材料颗粒的能量处于不稳定状态。当颗粒间距离变小时，正负电荷容易相互吸引，这些是导致颗粒团聚的原因。颗粒团聚后，比表面积减小，表面吸附能力下降，黏度有所减小。且在研磨圈数为10～14圈时，黏度增长迅速。也有相关研究认为，随着研磨周期的增加，油墨中的溶剂挥发，导致黏度迅速增加，这与本实验现象表明的规律一致。

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　　该导电油墨方阻随研磨圈数的增加而逐渐降低，原因是研磨过程中碳材料粒径减小，使得导电颗粒之间的间隙变小，渗流阈值降低。根据导电油墨导电机理中的渗流理论，渗流阈值降低，更容易形成导电通路。同时，研磨使碳材料粒子分散更为均匀，形成稳定的导电媒介，因此方阻整体呈下降趋势。且在研磨14圈时达到方阻最小值，为11Ω/s q，随后又有上升趋势，可能是小颗粒碳材料团聚所致，与黏度变化具有相关性。

　　2.丙二醇甲醚PM对导电油墨VOCs排放影响

　　导电油墨检测结果可参照G B 18582—2020 《建筑用墙面涂料中有害物质限量》国家标准，装饰板涂料V O C s含量限值为：水性合成树脂乳液类 120 g/L，水性其他类250 g/L，溶剂型含效应颜料类760 g/L，溶剂型其他类580 g/L;乙二醇醚及醚酯总和含量限值为300 m g/k g;溶剂型装饰板涂料卤代烃总和含量限值为0.1%，苯含量限值为0.3%，甲苯与二甲苯(含乙苯)总和含量限值为20%。图2为 7种样品VOCs含量的对比图，样品1为未添加丙二醇甲醚PM的导电油墨，其VOCs含量为4g/L。随着丙二醇甲醚PM百分比的增加，VOCs含量呈上升趋势，质量分数为8%时，V O C s含量为78 g/L，接近限值，当质量分数为10%时，超过限值，为110 g/L;样品7 为加入质量分数为12%丙二醇甲醚P M的导电油墨， VOCs含量为132 g/L，属于严重超标。加入丙二醇甲醚P M后，可稀释导电油墨，且与原物料混合后黏稠度不变，延长物料固化、干燥时间。油墨表面干燥速度变慢之后，线条边缘毛齿减小，墨层表面流平光滑，能减少表面网纹的出现，不影响连续印刷，仍具有良好的印刷适应性，但加入过多则会使V O C s含量上升，超过限值。因此，当加入质量分数为8%的丙二醇甲醚P M时，能满足V O C s 含量限值，且印刷适应性最佳。

　　3.印刷适应性研究

　　此导电油墨符合印刷适应性要求，具有良好的导电性和附着力，适用于实际应用。使用加入8%丙二醇甲醚P M的导电油墨进行丝网印刷(图3)，以环氧树脂玻璃纤维布为基底，丝网目数为300目，印刷效果良好，线条均匀无毛边，光泽度佳，干燥速度适中，印刷适应性好。

　　三、总 结

　　研究表明，该配方碳系导电油墨的性能符合印刷适应性以及环保要求，且方阻较小，导电性能优异，可用于建筑装饰板涂料。研磨过程中黏度及方阻存在规律性变化，黏度整体随研磨圈数增加而增加，方阻随研磨圈数增加而减小，且研磨圈数为14 圈时，导电油墨黏度达到最大值7 040 m P a·s，电阻达到最小值11Ω/s q。该导电油墨为水性油墨，经鉴定符合国家标准，V O C s含量远小于含量限值，加入 8%丙二醇甲醚P M的导电油墨的V O C s值在标准限值之内，黏度为6 040 m P a·s，满足丝网印刷油墨黏度要求，印刷适应性最佳。该碳系导电油墨绿色环保，导电性能和印刷适应性优异，具有广阔的应用前景。——论文作者：万民兵

文章名称：碳系导电油墨印刷适应性及环保性研究

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