一种高触变性的石墨烯导电碳浆及其制备方法

1.本发明涉及导电碳浆技术领域，尤其涉及一种高触变性的石墨烯导电碳浆及其制备方法。


背景技术：

2.可穿戴晶体管、显示器件、射频(rf)电子和能源管理领域的印刷电子产品的发展敦促对智能电子纺织品的研究，智能电子系统的进一步集成需要低损耗和高可靠性的智能纺织品来为人体提供电子功能。高性能导电功能碳浆的配方是智能纺织品的关键部分，各种碳浆已被开发和用于印刷柔性电子产品。在柔性印刷电子产品的制造中采用了大量的印刷技术。丝网印刷是使用最广泛的接触式印刷技术之一，可实现高度可扩展的生产。
3.浆料的丝印特性主要是通过调节浆料的触变性来优化的，而高触变性导电碳浆在电子产品制造中具有广泛的应用前景，如：在射频(rf)电子领域，高触变性导电碳浆可以用来屏蔽电磁干扰和射频干扰，以确保设备的兼容性；在显示器件领域，高触变性导电碳浆可以作为触控屏幕的导电材料，以提高触摸的灵敏度和反应速度。因此触变性的提高对于浆料的应用来说是至关重要的一个参数，也是一个急需解决的问题。
4.目前已有较多对于浆料触变性的研究，如：专利cn102964762a公开了一种丝网印刷水转印用高触变性油墨黏合剂树脂组成物，其不仅具有很高的流变性能，而且油墨的印刷适性非常好，同时对于减少印刷时的网眼堵塞、烧成时产生的残渣非常有效。专利cn116003142a公开了一种可改善泥浆触变性的解胶剂及其制备方法，采用聚合物交联结构与多种功能性原料复配来提高触变性，具有十分优异的解胶效果。专利cn115910426a公开了一种高触变性的导电银浆及其制备方法，主要采用低黏度的树脂体系，来提升导电银浆自身的触变性，以解决导电线路从承印物上脱落的现象。
5.常用测定浆料触变性的方式为3itt测试(三段式触变性测试)，因为它能很好地模拟碳浆丝网印刷的过程，从而能够更加深入了解该过程中浆料的结构分解和恢复情况。测试分三个间隔进行。首先在第一个区间，是在低剪切速率下保持一段时间，代表丝网印刷前织物丝网上的浆料。接下来提高剪切速率以重现打印过程中的刮刀行程。最后，在第三个区间，剪切速率降低到第一个间隔相同的低剪切速率下，并保持一段时间以模拟结构恢复。本发明以此测试法为基础，提出一种高触变性的导电碳浆及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种高触变性的石墨烯导电碳浆及其制备方法，旨在使其具有依靠自身材料提升触变性的优点，解决现有技术中存在的问题。
7.为实现目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种高触变性的石墨烯导电碳浆，其各原料按重量份数的构成为：填料10～20份，有机溶剂30～40份，粘结剂1～10份，分散剂20～30份，助剂30～40份；所述填料为石墨、炭
黑和石墨烯的混合物。
9.进一步地：石墨烯的重量份数为0.01～1份，石墨(1000目)和炭黑(工业级)的质量比为1:0.5-2。
10.进一步地，所述有机溶剂为异丙醇、乙二醇和n,n-二甲基乙酰胺的混合物，三者的质量比优选为0.5-1.5:1:2.5-4。
11.进一步地，所述粘结剂为聚氨酯、乙基纤维素和环氧树脂中的至少一种。
12.进一步地，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、曲拉通和聚乙烯乙酸酯中的至少一种。
13.进一步地，所述助剂为去离子水、增稠剂和消泡剂的混合物，三者的质量比最优选为15～150:1:4～5。
14.进一步地，所述增稠剂为羧甲基纤维素、有机膨润土和气相二氧化硅中的至少一种，所述消泡剂为byk-066n有机硅消泡剂。
15.本发明还提供了上述高触变性的石墨烯导电碳浆的制备方法，是将有机溶剂、分散剂和助剂超声分散均匀后，倒入球磨罐中，再加入填料和粘结剂，进行球磨处理，即获得石墨烯导电碳浆。
16.进一步地：超声时间为30min～60min；球磨机转速为400r/min～600r/min、球磨时间为4h。
17.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
18.本发明以炭黑、石墨和石墨烯作为填料，使所得浆料具有优异的导电性能和触变性能。同时，本发明通过采用低粘度的醇类体系和球磨共混方法，使颗粒间的团聚得以解开，从而更好地降低了浆料的粘度，保证了浆料的高触变性和良好分散性。本发明的方法操作简单、适用于工业化生产。
附图说明
19.图1为各实施例与对比例所得石墨烯导电碳浆的黏度变化曲线图
20.图2为各实施例与对比例所得石墨烯导电碳浆的触变性能图。
21.图3为各实施例与对比例所得石墨烯导电碳浆的红外热成像图。
具体实施方式
22.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
23.下述实施例中石墨烯导电碳浆的制备方法，包括以下步骤：
24.(1)在烧杯中依次加入有机溶剂、分散剂和助剂，并放入超声机中进行超声处理，超声时间为30min。
25.(2)将步骤1的溶液倒入球磨罐中，再加入填料和粘结剂。
26.(3)将步骤2所得浆料进行球磨处理，设定转速为500r/min，并且设定球磨正转2h、球磨反转2h，球磨结束后即获得导电碳浆。
27.实施例1
28.一种石墨烯导电碳浆，其各原料按重量份数的构成为：填料10份，有机溶剂30份，粘结剂5份，分散剂20份，助剂30份。具体的：
29.填料包括0.01份石墨烯、5份炭黑和4.99份石墨；有机溶剂包括5份异丙醇、5份乙二醇和20份n,n-二甲基乙酰胺；粘结剂为聚氨酯；分散剂包括10份聚乙烯吡咯烷酮和10份曲拉通；助剂包括27份去离子水、2份羧甲基纤维素和1份byk-066n有机硅消泡剂。
30.实施例2
31.一种石墨烯导电碳浆，其各原料按重量份数的构成为：填料10份，有机溶剂30份，粘结剂5份，分散剂20份，助剂30份。具体的：
32.填料包括0.02份石墨烯、5份炭黑和4.98份石墨；有机溶剂包括5份异丙醇、5份乙二醇和20份n,n-二甲基乙酰胺；粘结剂为聚氨酯；分散剂包括10份聚乙烯吡咯烷酮和10份曲拉通；助剂包括27份去离子水、2份羧甲基纤维素和1份byk-066n有机硅消泡剂。
33.实施例3
34.一种石墨烯导电碳浆，其各原料按重量份数的构成为：填料10份，有机溶剂30份，粘结剂5份，分散剂20份，助剂30份。具体的：
35.填料包括0.03份石墨烯、5份炭黑和4.97份石墨；有机溶剂包括5份异丙醇、5份乙二醇和20份n,n-二甲基乙酰胺；粘结剂为聚氨酯；分散剂包括10份聚乙烯吡咯烷酮和10份曲拉通；助剂包括27份去离子水、2份羧甲基纤维素和1份byk-066n有机硅消泡剂。
36.实施例4
37.一种石墨烯导电碳浆，其各原料按重量份数的构成为：填料10份，有机溶剂30份，粘结剂5份，分散剂20份，助剂30份。具体的：
38.填料包括0.04份石墨烯、5份炭黑和4.96份石墨；有机溶剂包括5份异丙醇、5份乙二醇和20份n,n-二甲基乙酰胺；粘结剂为聚氨酯；分散剂包括10份聚乙烯吡咯烷酮和10份曲拉通；助剂包括27份去离子水、2份羧甲基纤维素和1份byk-066n有机硅消泡剂。
39.对比例1
40.对比例1与实施例1的不同之处在于填料只有炭黑和石墨，其中炭黑份数为3份，石墨的份数7份。
41.对比例2
42.对比例2与实施例1的不同之处在于填料只有炭黑和石墨，其中炭黑和石墨的份数都为5份。
43.按如下方法测试上述各实施例与对比例所得碳浆的触变性能：
44.(1)采用高级流变仪，选择3itt模式，先设定一个低剪切应力(1pa)，时长为60s，接着将剪切应力立刻增大到50pa，经过5s的高速剪切作用后，再将剪切应力设置到1pa，看黏度的恢复状态。
45.(2)选取导电碳浆在经过高速剪切破坏后粘度恢复的比例作为考查指标，分别得到在高速剪切作用停止2s后体系粘度的恢复比例，并记录具体数值。
46.按如下方法测试上述各实施例与对比例所得碳浆的黏度变化曲线：采用高级流变仪，选择剪切模式，设置剪切速率变化范围为0.1％-100％，频率固定为1hz，得到浆料黏度随剪切速率的变化曲线图。
47.按如下方法测试上述各实施例与对比例所得碳浆的方阻：采用涂布机将浆料涂布于基底上，放入烘箱烘干，得到不同厚度(0.05mm和0.06mm)的薄膜，固定薄膜尺寸为5cm*5cm。采用四探针测试仪，调节设备测试模式为方阻测试，将探针垂直放于薄膜表面，多次测
试取平均值，记录数值。
48.按如下方法测试上述各实施例与对比例所得碳浆的红外热成像图：常温下，用红外热成像照相机拍摄烘干后的薄膜在5v(与市售薄膜所用电压一致)电压下，通电10s、20s和30s后的图片。
49.测试结果如表1、图1～3所示。
50.表1
[0051][0052]
首先图1表明了浆料的剪切稀化现象，即黏度随着剪切速率的增大而减小，这是浆料进行应用的前提。另外黏度恢复的快慢反映了导电碳浆触变性的大小，表1和图2结果说明：随着石墨烯添加量的增加，导电碳浆的黏度恢复得越快。这可能是因为石墨烯的片径大，更容易相互搭接，重新形成絮凝体的速度快。从表1和图3可以看到，随着石墨烯加入后，碳浆形成薄膜的方阻在逐渐减小，电热性能也在逐渐提高，这是因为当石墨烯加入后，由于它的高导电性和高导热性，可以增强碳浆的传导性能，从而使碳浆的方阻降低。此外，石墨烯的高比表面积也可以增加碳浆颗粒与电极表面的接触面积，进一步提高了碳浆的导电性，从而降低了方阻，导电性和导热性提高。
[0053]
以上仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高触变性的石墨烯导电碳浆，其特征在于，各原料按重量份数的构成为：填料10～20份，有机溶剂30～40份，粘结剂1～10份，分散剂20～30份，助剂30～40份；所述填料为石墨、炭黑和石墨烯的混合物。2.根据权利要求1所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：石墨烯的重量份数为0.01～1份，石墨和炭黑的质量比为1:0.5-2。3.根据权利要求1所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：所述有机溶剂为异丙醇、乙二醇和n,n-二甲基乙酰胺的混合物。4.根据权利要求1所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：所述粘结剂为聚氨酯、乙基纤维素和环氧树脂中的至少一种。5.根据权利要求1所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、曲拉通和聚乙烯乙酸酯中的至少一种。6.根据权利要求1所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：所述助剂为去离子水、增稠剂和消泡剂的混合物。7.根据权利要求6所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：所述增稠剂为羧甲基纤维素、有机膨润土和气相二氧化硅中的至少一种。8.根据权利要求6所述的石墨烯导电碳浆，其特征在于：所述消泡剂为byk-066n有机硅消泡剂。9.一种权利要求1～8中任意一项所述石墨烯导电碳浆的制备方法，其特征在于：将有机溶剂、分散剂和助剂超声分散均匀后，倒入球磨罐中，再加入填料和粘结剂，进行球磨处理，即获得石墨烯导电碳浆。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：球磨机的转速为400r/min～600r/min，球磨时间为4h。

技术总结
本发明公开了一种高触变性的石墨烯导电碳浆及其制备方法，其各原料按重量份数的构成为：填料10～20份，有机溶剂30～40份，粘结剂1～10份，分散剂20～30份，助剂30～40份；其中填料为石墨、炭黑和石墨烯的混合物。本发明以炭黑、石墨和石墨烯作为填料，使所得浆料具有优异的导电性能和触变性能，本发明的方法操作简单、适用于工业化生产。适用于工业化生产。适用于工业化生产。


技术研发人员：陈鹏鹏 鲍传林 胡琦
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/23