专利名称：一种水性导电油墨及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种以水性高分子树脂作连结料、导电的乙炔碳墨作颜料，与水、乙醇及助剂等加工而成水性导电油墨的制备技术。
背景技术：
目前，微电子技术正向各个领域渗透，导电印刷技术作为一种高新技术应运而生。例如薄膜开关电路板就是将油墨印刷在PET薄膜上，然后将印好的薄膜与装潢艺术面板等组合而成；具有结构简单、外形美观、耐环境性优良、使用寿命长(100万次以上)等优点，被广泛用于传真机、复印机、电话机、手机、电子玩具、测量装置和医疗仪器等。油墨印刷电路板工艺简单，效率高，而且还节约金属铜，是降低微电子产品成本的一条有效途径，其他还有用在接触式传感面板，印刷扁平精细电缆，低成本太阳能电池，液晶显示器用电流以及红外线探测敏感元件等，在微电子领域的应用是多种多样的。此外还有电热膜是将油墨印刷在两层阻燃材料PET之间制成，它是通过导电油墨将电能转换成热能、保持一种恒温方式；其柔性产品可弯折，可根据用户需要设计不同的功率规格；主要应用于防雾镜、冰箱除霜、保健品、电热垫，电热衣、电热腰带、农业大棚、养鱼、工业管道保温、北方汽车反光镜、火车卧铺上等各个行业领域。
上述产品的传统制作方法是用导电炭浆或银浆，采用丝网印刷的方式。其导电炭浆或银浆均采用聚酯、环氧、酚醛类树脂作连结料，以芳烃类、酯类/醇类、酮类、醇醚类等作溶剂，这些产品在使用过程中，由于有机溶剂的挥发，不但污染环境，危害操作工人的身体健康，且丝网印刷方式产量低、成本高，不能大批量生产。随着时代的发展和人类的进步，环境保护问题已越来越受到人们的普遍重视，因此对环保型导电印刷油墨的需要也越来越迫切。
发明内容
为克服现有导电印刷技术中存在的问题，本发明提供了一种采用水性高分子树脂作油墨的连结料，与导电颜料、溶剂及相关助剂经复合研磨加工而成的水性导电油墨，这种油墨具有导电性好、稳定性高、附着力好、固化温度低、材料资源广泛的优点，而且其制备方法简单易行。
本发明提供的技术方案是一种水性导电油墨，含有30～50％的水性高分子树脂、15～25％的导电颜料乙炔碳墨、12～20％的水、8～12％的乙醇、3～8％的乙二醇丁醚、4～9％的硅烷表面处理剂、2～5％的防静电剂和1～3％助剂，助剂至少包含分散剂、消泡剂、流平剂，以上百分比均为质量百分比。
其中，水性高分子树脂为能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂。
本发明提供的上述油墨的制备方法是先制备能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂待用，然后选用乙炔碳墨作导电颜料，再采用如下具体步骤制得(1)按配方所需将树脂、导电颜料、水、乙醇、乙二醇丁醚和硅烷表面处理剂称准量投入到分散釜内，充分搅拌分散均匀。
(2)将分散好的物料转移至砂磨机内研磨至细度达到10μm以下。
(3)将研磨好的物料过滤，与防静电剂、助剂分散均匀后，即制得所需油墨。
其中，改性丙烯酸水溶性树脂由有机硅单体和丙烯酯类单体进行接枝共聚而制成。
本发明提供的水性导电油墨的突出特点是1、改性水性丙烯酸树脂能满足导电油墨连结料的特性要求。
连结料是导电油墨中的成膜物质，在油墨中连结料并不一定要求是导电性的聚合物，它仅要求只要在某一温度范围内固化时不产生电阻率，这一点是导电油墨的特性。作为连结料的树脂在油墨中既起到导电颜料的密封作用，又起到导电粒子连结成膜的作用，所以需要采用电阻变化小，稳定性高的高分子聚合物作为连结料，使导电粒子在连结料中分散性好、移动性小、导电误差小，能够赋于油墨膜的物理和化学稳定性。连结料在印刷图形前使导电颜料构成一定粘度的印料，以完成印刷方式的图形转移，印刷后经过固化过程，使导电颜料的微粒与微粒之间，微粒与基材之间形成稳定的结合。利用目前市场上现有的水性树脂作为粘连剂，制成水性导电油墨，结果发现这些连结料对PET薄膜的附着力差，脆性大，不能满足制备导电油墨的要求。于是我们考虑用韧性好、疏水性强、表面张力小的有机硅单体和丙烯酯类单体进行接枝共聚而制成水溶性的高分子树脂，以改善水性丙烯酸树脂的表面张力，降低树脂的内聚力和提高树脂的柔韧性，从而提高了树脂对PET薄膜的附着力。而水性丙烯酸树脂已是公认的环保型树脂，也达到了导电油墨连结料的要求。
2、导电颜料乙炔碳墨价廉物美。
导电颜料就是导电粒子，它要求导电性好，稳定性高，固化温度低，材料来源广泛，常用的有金粉、银粉、铜粉、镍粉、铝粉、碳黑、石墨及其他复合粉末。选择碳黑为导电颜料时，考虑虽然导电性没有银粉高，但价格便宜，也能满足防静电要求，如用量得当，对油墨的物理性能影响不大。乙炔碳墨作为油墨的导电颜料，其平均粒径只有4μm，DET比表面积为65(m2/g)，吸油值为250(g/100g)；兼顾导电油墨的导电性和较好的涂层性能，并考虑到要尽量降低生产成本，选择的炭黑浓度在15％～30％的稳定区域，这样综合性的考虑发现乙炔碳墨作为油墨的导电颜料是适合的。
3、选择去离子水，乙醇等作为油墨的溶剂是完全环保型的。
溶剂在导电油墨中的主要作用是(1)溶解树脂，使导电微粒(即颜料)在聚合物中充分的分散，给予墨性。(2)调节粘度，给与印刷适应性。(3)调节油墨的干燥速度。水性导电油墨的溶剂特别要求不但要有亲水性，而且也应具有环保特性。我们选择的去离子水，乙醇和乙二醇丁醚作为油墨的溶剂，与高分子水性树脂、导电颜料完全相匹配，从而保证了水性导电油墨的环保性能。
4、选择助剂适当。
助剂的加入会对导电油墨的导电性能产生不良影响，在权衡利弊的情况下我们适宜地有选择性的加了些硅烷表面处理剂、分散剂、消泡剂、流平剂、防静电剂等。这些助剂的加入均能使水性导电油墨的产品质量得到提高。
这样制作出的水性导电油墨产品的主要特点如下(1)产品不带刺激性气味，无有机溶剂(VOC)挥发，有利于环保，保障了印刷车间操作工人的安全健康。
(2)产品在使用过程中可直接用水稀释，印刷完毕后印刷设备可直接用水清洗，对印刷车间环境无污染。
(3)产品不但适用于传统的丝网印刷，而且更适用当今先进的柔性版，凹版印刷方式。与丝网印刷对比，提高生产效率20倍以上，并可连续性生产。
(4)产品低温固化，墨层固化快，附着牢度好，固化温度在100℃以内。
(5)满足电阻率低、导电性能好，稳定性高的使用要求，且材料来源广，生产成本低，绝对为绿色产品。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明作进一步阐明，实施例仅在于说明本发明而决不限制本发明。
实施例1先用有机硅单体和丙烯酯类单体进行接枝共聚制备能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂待用。按配方称准量取36％改性丙烯酸水溶性树脂、18％乙炔碳墨、18％水、12％乙醇、5％乙二醇丁醚、6％硅烷表面处理剂、3％防静电剂、2％助剂，助剂包含分散剂1％、消泡剂0.5％、流平剂0.5％，以上百分比均为质量百分比。将树脂、导电颜料、水、乙醇、乙二醇丁醚和硅烷表面处理剂投入到分散釜内，充分搅拌分散均匀。再将分散好的物料转移至砂磨机内研磨至细度达到10μm以下。最后将研磨好的物料过滤，与防静电剂、助剂分散均匀后，即制得所需油墨。
按上述比例制备成的水性导电油墨产品的主要技术指标如下表
将该水性导电油墨产品用凹版印刷方式在PET薄膜上印刷，制作成的建筑用电热膜产品(20W/片)，在民用建筑中可安装在天棚内或在地板内，经用户试用的实际考验和油墨质量检测证明，水性导电油墨达到了预期的质量水平。
实施例2先用有机硅单体和丙烯酯类单体进行接枝共聚制备能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂待用。按配方量取42％改性丙烯酸水溶性树脂、20％乙炔碳墨、16％水、9％乙醇、4％乙二醇丁醚、5％硅烷表面处理剂、2％防静电剂、2％助剂(包含分散剂1％、消泡剂0.5％、流平剂0.5％等)。以上百分比均为质量百分比。
制备导电油墨的具体操作步骤同实施例1，制备成的水性导电油墨产品的主要技术指标如下细度≤10μm粘度1000～3000cpPH值8.0～9.0表面电阻 ≤5Ω/cm2(可根据需要调节)体积电阻(墨膜厚10μm)≤1×10-2Ω·cm(可根据需要调节)铅笔硬度 ≥3H附着力 100％(胶带剥离试验)耐热性 (85℃52℃，480h)电阻值变化在10％以内耐湿性 (40℃190％RH480h)电阻值变化在10％以内耐弯曲性 在360度范围内折曲3次，电阻值的变化在15％以内将本品采用丝网印刷方式在聚酯膜上印刷，制作成的手写板耐按压，无裂纹，产品性能稳定。还可广泛适用于印制薄膜开关、控制仪器、工业电脑、电讯仪器等电子产品的电路板。
实施例3先用有机硅单体和丙烯酯类单体进行接枝共聚制备能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂待用。按配方量取44％改性丙烯酸水溶性树脂、16％乙炔碳墨、12％水、10％乙醇、6％乙二醇丁醚、7％硅烷表面处理剂、2％防静电剂、3％助剂(包含分散剂1％、消泡剂0.5％、流平剂0.5％等)。以上百分比均为质量百分比。
制备导电油墨的具体操作步骤同实施例1，制备成的水性导电油墨产品的主要技术指标如下细度≤5μm粘度1000～3000cpPH值8.0～9.0表面电阻 5Ω/cm2(可根据需要调节)体积电阻(墨膜厚1.5μm)≤1×10-2Ω·cm(可根据需要调节)铅笔硬度 ≥2H
附着力100％(胶带剥离试验)耐热性(85℃52℃，480h)电阻值变化在10％以内耐湿性(40℃190％RH480h)电阻值变化在10％以内耐弯曲性 在360度范围内折曲3次，电阻值的变化在15％以内将本品采用柔版印刷方式在PVC片材上印刷，制作成的电子产品包装袋起屏弊作用。
权利要求
1.一种水性导电油墨，含有30～50％的水性高分子树脂、15～25％的导电颜料乙炔碳墨、12～20％的水、8～12％的乙醇、3～8％的乙二醇丁醚、4～9％的硅烷表面处理剂、2～5％的防静电剂和1～3％助剂，助剂至少包含分散剂、消泡剂、流平剂，以上百分比均为质量百分比。
2.根据权利要求1所述的水性导电油墨，其特征是水性高分子树脂为能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂。
3.权利要求1所述水性导电油墨的制备方法，其特征是先制备能在100℃以内即能产生交联固化，又不产生电阻率的改性丙烯酸水溶性树脂待用，然后选用乙炔碳墨作导电颜料，再采用如下具体步骤制得(1)按配方所需将水性高分子树脂、导电颜料、水、乙醇、乙二醇丁醚和硅烷表面处理剂称准量投入到分散釜内，充分搅拌分散均匀。(2)将分散好的物料转移至砂磨机内研磨至细度达到10μm以下。(3)将研磨好的物料过滤，与防静电剂、助剂分散均匀后，即制得所需油墨。
4.根据权利要求3所述水性导电油墨的制备方法，其特征是改性丙烯酸水溶性树脂由有机硅单体和丙烯酯类单体进行接枝共聚而制成。
全文摘要
本发明提供了一种水性导电油墨及其制备方法，水性导电油墨含有30～50％水性高分子树脂、15～25％导电颜料乙炔碳墨、12～20％的水、8～12％的乙醇、3～8％的乙二醇丁醚、4～9％硅烷表面处理剂、2～5％的防静电剂和1～3％助剂。该油墨用水性高分子树脂作连结料，与导电颜料、溶剂及相关助剂经复合研磨加工而成，具有电阻率低、导电性能稳定、耐弯曲性好、附着力强，在使用中对环境和人体都不存在危害的特点；克服了传统溶剂型导电油墨污染环境、危害工人健康，所用丝网印刷方式产量低、成本高的弊病。该油墨浓度高、粘度低、印刷适应性好，尤其适合柔版和凹版印刷，能大幅提高电子产品的生产效率。
文档编号C09D11/10GK1850920SQ200610019148
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月26日 优先权日2006年5月26日
发明者钱俊, 刘武辉, 马立胜 申请人:武汉大学