一种水性石墨烯导电油墨及其制备方法与流程

本发明属于导电油墨领域，特别涉及一种水性石墨烯导电油墨及其制备方法。

背景技术：

印刷电子中应用最多的功能性材料是导电油墨。市场上的导电油墨主要以溶剂型为主，存在voc排放问题，污染环境严重，危害人体健康。普通碳系导电油墨，长时间通电使用过程中还会造成功率衰减。

石墨烯具有优异的电学性能，兼具轻便、柔韧性好、不易氧化等优点，以石墨烯为功能材料制备的水性导电油墨符合绿色环保以及新型功能油墨材料的发展趋势。专利《石墨烯三维复合水性电热油墨及其制备方法》中，采用石墨烯-碳纤维-炭黑复合的形式构建点-线-面三维立体型导电网络，提升石墨烯导电油墨的导电性，然而，由于石墨烯存在片层界面电阻大、分散困难、易团聚的问题，单纯通过添加片状石墨烯的方法，容易产生石墨化现象，仍然存在导电通路少、导电性能不稳定、功率衰减等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种水性石墨烯导电油墨及其制备方法，该导电油墨通过制备纳米卷齿形石墨烯微米片分散液，并用于制备水性石墨烯导电油墨中，其有利于防止石墨烯片层的堆叠，实现石墨烯的稳定分散，减少有机分散剂的使用，且齿形边缘结构有利于石墨烯片层间相互搭接及搭接稳定性。

本发明提供了一种水性石墨烯导电油墨，按质量百分比，包括如下组分：纳米卷齿形石墨烯微米片分散液0.5％-50.0％，碳纳米管分散液0％-30.0％，导电炭黑1％-10.0％，聚合型分散树脂1％-10％，连接树脂10％-35％，助剂0.5％-6.5％，余量为水。

所述纳米卷齿形石墨烯微米片的横向尺寸3-4μm，厚度小于5nm，卷齿长度200-600nm。

所述纳米卷齿形石墨烯微米片分散液的固含为1％～6％，其制备方法包括：选取膨胀石墨微米片制备成纳米齿形石墨微米片，然后将纳米齿形石墨微米片和炭黑碎粒分散液混合，搅拌，得到石墨分散液；然后将石墨分散液进行砂磨-高压均质或超声处理，获得单层或少层纳米齿形石墨烯微米片的分散液；然后将上述分散液浸入液氮中，得到纳米卷齿形石墨烯微米片分散液。

所述膨胀石墨微米片的横向尺寸小于4μm，厚度小于2μm。

所述膨胀石墨微米片制备成纳米齿形石墨微米片的方法包括：光刻法、金属纳米粒子剪切法、扫描探针蚀刻法、电子束蚀刻法、等离子蚀刻法或电子束诱导撕裂法。

所述纳米齿形石墨微米片和炭黑碎粒分散液的质量比为10:1～1:10。

所述聚合型分散树脂为水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂中的一种或两种，分子量范围在3000-15000。

所述连接树脂为水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂、水性硅碳树脂、水性苯丙树脂或相对应的改性树脂中的一种或多种，分子量范围在15万-40万，且为热塑性树脂具有一定的柔韧性，并对涤纶面料、pet膜、pi膜等具有强附着力。

所述助剂为基材润湿剂、消泡剂、流平剂、增稠剂中的至少一种。其中，所述脱泡剂用量为0.1％-0.3％，流平剂用量为0.2％-0.5％，基材润湿剂用量为0.3％-0.6％，增稠剂用量为0.5％-2％。

所述导电油墨的ph值为8～10，粘度为3000～50000mpa·s，细度小于6μm。

本发明还提供了一种水性石墨烯导电油墨的制备方法，包括：

按配比，将纳米卷齿形石墨烯微米片分散液、碳纳米管分散液、导电炭黑和聚合型分散树脂、消泡剂混合，研磨或砂磨处理至粒径小于6μm，得到复合导电粗浆；随后将复合导电粗浆与连接树脂进行机械搅拌混合均匀，加入助剂进行调墨，即得水性石墨烯导电油墨。

有益效果

本发明通过制备纳米卷齿形石墨烯微米片，在水性导电油墨制备过程中，其有利于防止石墨烯片层的堆叠，实现石墨烯的稳定分散，减少有机分散剂的使用，且齿形边缘结构有利于石墨烯片层间相互搭接及搭接稳定性；同时选用纳米卷齿石墨烯微米片、碳纳米管、纳米炭黑进行复合，进一步提升了三维导电网络的搭建，有利于稳定导电网络的形成，提升了其导电性，从根本上解决功率衰减的问题；再配合柔性大分子量连接树脂，制得了高导电、功率稳定、柔性石墨烯导电油墨。

附图说明

图1为本发明导电油墨中卷齿石墨烯示意图；其中，1为寡层石墨烯主体结构，2为卷齿，3为炭黑。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例和对比例中所用原料来源如下：

聚合型分散树脂：选用水性聚氨酯树脂pu-635，分子量为1.2万，购自斯塔尔。

连接树脂：选用水性聚氨酯树脂pu-6140，分子量为20万左右，购自万华化学。

消泡剂：选用聚醚硅氧烷类表面活性剂tego810，购自赢创。

流平剂：选用水性聚丙烯酸酯类表面活性剂byk-381，购自毕克化学。

基材润湿剂：选用双生结构的硅氧烷类表面活性剂4100，购自赢创。

增稠剂：选用疏水改性环氧乙烷基聚氨酯类增稠剂罗门哈氏rm-12w，购自凯茵化学。

实施例1

(1)制备固含为3％的水性石墨烯分散液：将横向尺寸小于4μm，厚度小于2μm的膨胀石墨微米片，通过光刻法撕裂成纳米齿形石墨微米片，然后将纳米齿形石墨微米片和炭黑碎粒分散液(质量比10:1)混合，搅拌实现充分润湿，得到石墨分散液，然后将石墨分散液进行砂磨-高压均质或超声处理，获得单层或少层纳米齿形石墨烯微米片的分散液；然后将上述分散液浸入液氮中，纳米齿形石墨微米片便会卷曲成纳米卷齿形石墨烯微米片，卷齿的直径范围在200～600nm，即制得3％固含的卷齿形水性石墨烯分散液；

(2)将上述固含为3％的水性纳米卷齿形石墨烯微米片分散液300g、聚合型分散树脂75g、消泡剂2.25g、10％固含的碳纳米管水性分散液225g、炭黑75g、水75g和研磨介质一起放入研磨釜中研磨，直至研磨粗浆粒径小于等于6μm停止研磨，制成复合导电粗浆；

(3)将制得的复合导电粗浆750g、连接树脂720g、流平剂10.5g、脱泡剂3g、基材润湿剂9g、增稠剂15g在机械搅拌器中搅拌混合，调节ph值为8～9，得1#水性石墨烯导电油墨。

采用实施例1制备的导电油墨制备电热膜。在本发明中，通过丝网印刷工艺，根据预先设计的图案，将所述导电油墨印制在pet电晕膜，并测试成膜方阻为1～3ω/□，附着力≤1级，通电工作1万小时后功率衰减＜1.5％。

实施例2

(1)制备固含为3％的水性石墨烯分散液：将横向尺寸小于4μm，厚度小于2μm的膨胀石墨微米片，通过光刻法撕裂成纳米齿形石墨微米片，然后将纳米齿形石墨微米片和炭黑碎粒分散液(质量比10:1)混合，搅拌实现充分润湿，得到石墨分散液，然后将石墨分散液进行砂磨-高压均质或超声处理，获得单层或少层纳米齿形石墨烯微米片的分散液；然后将上述分散液浸入液氮中，纳米齿形石墨微米片便会卷曲成纳米卷齿形石墨烯微米片；卷齿的直径范围在200～600nm，即制得3％固含的卷齿形水性石墨烯分散液；

(2)将上述水性纳米卷齿形石墨烯微米片分散液100g、聚合型分散树脂75g、消泡剂2.25g、10％固含的碳纳米管水性分散液425g、炭黑75g、水75g和研磨介质一起放入研磨釜中研磨，直至研磨粗浆粒径小于等于6μm停止研磨，制成复合导电粗浆；

(3)将制得的复合导电粗浆750g、连接树脂720g、流平剂10.5g、脱泡剂3g、基材润湿剂9g、增稠剂15g在机械搅拌器中搅拌混合，调节ph值为8～9，得2#水性石墨烯导电油墨。

采用实施例2制备的导电油墨制备电热膜。在本发明中，通过丝网印刷工艺，根据预先设计的图案，将所述导电油墨印制在pet电晕膜，并测试成膜方阻为20～25ω/□，附着力≤1级，通电工作1万小时后功率衰减＜3％。

对比例

(1)将市售固含5％的水性片状石墨烯分散液300，聚合型分散树脂75g、消泡剂2.25g、10％固含的碳纳米管水性分散液225g、炭黑75g、水75g和研磨介质一起放入研磨釜中研磨，直至研磨粗浆粒径小于等于6um，停止研磨，制成复合导电粗浆；

(2)将制得的复合导电粗浆750g、连接树脂720g、流平剂10.5g、脱泡剂3g、基材润湿剂9g、增稠剂15g在机械搅拌器中搅拌混合，调节ph值为8～9，得水性石墨烯导电油墨；

采用对比例制备的导电油墨制备电热膜。通过丝网印刷工艺，将所述对比例制备的导电油墨印制在pet电晕膜，并测试成膜方阻为40～50ω/□，附着力≤1级，通电工作1万小时后功率衰减＜10％。

经过实施例1和对比例1的比较，可以发现通过本发明的导电油墨制备电热膜，从根本上解决了功率衰减问题。