一种用于喷墨打印的纳米钨墨水及其制备方法与流程

本发明属于印刷电子技术领域，涉及一种用于喷墨打印的纳米钨墨水及其制备方法。

背景技术：

喷墨打印技术(inkjetprinting)是一种“直接写”的印刷电子技术，它在计算机的精确控制下，利用气体压力、电场力或其他形式的力将功能性油膜逐滴喷射到各类基底表面，获得特定的微纳结构或薄膜，该技术具有成本低、环境友好、效率高和直接写入等优势，近年来被广泛应用于新型电子材料领域。由于加工速度快、制作效率高，该技术可以在各种不同的基底上进行结构的打印，如平板玻璃、柔性玻璃、电子元器件表面等。喷墨打印采用非接触式打印，基材适用性广，可以实现多种不同金属导电墨水的打印，从而实现特定材料结构的特殊功能。

在众多电子设备中，用于x光检测的电路板和电子元件也是重要的一部分，该类电子元件常年暴露在辐射环境中，对结构本身极易产生破坏，从而降低其使用寿命，利用各种途径对该类电子器件进行封装保护是重要的研究工作。目前常用的保护方式为在外面加一层保护膜或保护套，多用铅类制品，该类保护结构质量重且不易成型，只能是整体上进行保护而无法局部实现保护。作为对x射线具有有效吸收的钨，也可以用来实现对辐射的阻挡，然而钨金属本身熔点高、硬度大，很难实现特定性状的制作，更难以实现在特定电子元件上的覆盖加工。

随着喷墨打印技术的发展和应用，基于金属纳米材料的墨水打印结构得到快速发展。相比于块体钨的难加工，利用钨纳米颗粒实现墨水的制作并采用喷墨打印实现特定结构的加工则更易于实现。而目前用于喷墨打印的纳米钨墨水尚未有报道和使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种用于喷墨打印的纳米钨墨水及其制备方法，采用纳米钨颗粒作为原始材料，通过添加一定质量浓度的表面活性剂并在特定溶剂中进行分散，获得纳米钨墨水，获得的纳米钨墨水打印性能好，稳定性及结构成型性能优异。

为了实现上述目的，本发明所述用于喷墨打印的纳米钨墨水所含原料及各原料的质量百分数为：钨纳米颗粒：30～70wt％，溶剂：30～70wt％，表面活性剂：1～10wt％，总质量百分比为100％。

本发明所述钨纳米颗粒平均粒径为～70nm，有少量的氧化成分。

本发明所述溶剂为三乙二醇甲醚。

本发明所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮，根据不同的分子量可单独使用，也可组合使用。

在本发明的一个优选实施方案中，所述钨纳米颗粒型号为美国纳米材料研究公司(usresearchnanomaterials,inc.)us1158，其粒径为70nm，密度为19.3g/cm³。

在本发明的一个优选实施方案中，所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮55k和聚乙烯吡咯烷酮360k，重量份比为1:1。

本发明所述用于喷墨打印的纳米钨墨水的制备过程包括如下步骤：

(1)按重量份称取钨纳米颗粒、溶剂和表面活性剂；

(2)将钨纳米颗粒按比例溶入溶剂中，并进行超声分散，得到钨纳米颗粒的分散液；

(3)将表面活性剂按比例溶入溶剂中，并进行超声分散，得到表面活性剂的分散液；

(4)将钨纳米颗粒分散液和表面活性剂分散液混合，并高速振荡3～5分钟，继续超声混合均匀，配制得到钨含量为30～70wt％纳米钨溶液，即为纳米钨墨水；

(5)将配制好的纳米钨墨水至于避光环境中保存。

本发明制备的用于喷墨打印的纳米钨墨水使用时，将纳米钨墨水使用喷墨打印技术喷印到玻璃、石英、聚合物膜或电路板表面等基材上，获得钨微米结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是采用钨纳米颗粒制作打印墨水，钨对于x射线具有较好的吸收效果，可以实现比目前产业圈内纳米银、纳米石墨烯等墨水更好的x射线吸收效果；二是采用不同分子量的聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，可螯合在钨纳米粒子表面，从而进一步提高整个墨水体系的稳定性，所制备的墨水流畅性好、稳定性高；三是纳米钨墨水制备条件温和，工艺简单，便于操作，制备过程中没有使用任何有毒试剂，可实现大规模生产；四是将纳米钨墨水用于喷墨打印制作微米结构，喷印结构成形性好。可以实现单层点、线，多层线和膜的打印制作，进而用于实现基于钨的电子器件辐射保护；纳米钨墨水配方简单，制造容易，工艺易于掌握，通过超声分散和高速振荡搅拌即可工业化生产，且墨水打印效果优异，x射线吸收性能显著。

附图说明：

图1为本发明制备的打印墨水示意图(a)和实物照片(b)，墨水中包含钨纳米颗粒、不同分子量的表面活性剂、溶剂成分。

图2为本发明所述钨纳米粒子的扫描电镜图(a)和透射电镜图(b)。

图3为利用本发明制备的纳米钨墨水打印结果的光学显微镜照片，其中(a)为线形结构；(b)为点状结构；(c)为不同大小的点状阵列。

图4为利用本发明制备的纳米钨墨水打印的多层微米线(a)和多层结构的x射线成像图(b)，其中虚线方框1和2中分别为20层和50层的微米线。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例所采用的钨纳米粒子的平均粒径尺寸为70nm，密度为19.3g/cm³；表面活性剂为重量份比为1:1的聚乙烯吡咯烷酮55k和聚乙烯吡咯烷酮360k；溶剂为三乙二醇甲醚，制备用于喷墨打印的纳米钨墨水的具体过程包含如下步骤：

(1)称取5g钨纳米颗粒和3.6g三乙二醇甲醚溶液，并将钨纳米颗粒与三乙二醇甲醚溶液混合，超声分散8～10分钟得到钨纳米颗粒的分散液；

(2)分别称取100mg聚乙烯吡咯烷酮55k和100mg聚乙烯吡咯烷酮360k，再称取1.2g三乙二醇甲醚溶液，将两种不同分子量的聚乙烯吡咯烷酮溶于称量好的三乙二醇甲醚溶液中，超声分散3～5分钟得到表面活性剂的分散液；

(3)在室温下将钨纳米颗粒的分散液和表面活性剂的分散液混合，超声1～2分钟后利用市售的高速振荡设备处理并高速振荡3～5分钟，如此反复3次；

(4)步骤(3)混合液中包含的各组分充分均匀溶解，获得打印所需的纳米钨墨水，至于暗室中保存。

本实施例将制备的纳米钨墨水用于喷墨打印的过程时，根据打印要求取适量墨水，可以实现点、线、多层结构微米钨的制作，其中图3为本实施例制备得到喷墨打印不同类型图像的光学显微镜照片，由图3(a)(c)可以看出不同形状的微米线及不同大小的微米圆可通过程序化计算机设计并通过喷墨打印纳米钨墨水印制到基材上；图3(b)为打印的单个微米圆的放大照片，从中可看出含有较高浓度的钨颗粒。

本发明所述的纳米钨墨水可用于多层线条的打印制作，以用来吸收更多的x射线辐射，图4(a)为利用本发明制备的纳米钨墨水打印的多层微米线；(b)为多层结构的x射线成像图，由x射线成像图能够清晰的看出打印结构的形状，说明纳米钨墨水多制作结构对x射线具有较好的吸收，表明本发明的钨纳米粒子打印墨水在电子元器件辐射防护领域中具有一定的实用价值。