一种纳米铜导电墨水的制备方法技术

本发明专利技术提出一种纳米铜导电墨水的制备方法，包括步骤1、以具有长链的有机高分子形成的纳米胶体为模板，经化学还原制备纳米铜‑有机复合颗粒；步骤2、将具有第一沸点的一种或几种溶剂及具有第二沸点的一种或几种溶剂进行均匀混合形成混合溶剂；步骤3、在混合溶剂中添加具有桥连作用的小分子有机物及添加剂制成均匀的混合溶液；步骤4、将纳米铜‑有机复合颗粒均匀分散于混合溶液中形成纳米铜导电墨水；步骤5、在剪切作用下，将纳米铜导电墨水凝胶化，形成预期的纳米铜导电墨水。本发明专利技术所制备的纳米铜导电墨水单次打印出的互联结构致密性、均匀性、表面平整性、导电性良好，无宏观裂纹和微米级的孔洞，在二维、三维电路增材制造领域有重要应用。

A preparation method of nano-copper conductive ink

The invention provides a preparation method of nano-copper conductive ink, which includes step 1, using nano-colloid formed by long chain organic polymer as template, preparing nano-copper organic composite particles by chemical reduction; step 2, mixing one or more solvents with the first boiling point and one or more solvents with the second boiling point to form mixed solvents uniformly; step 3. The mixed solvent is added with small molecular organic compounds and additives which are bridged to form a homogeneous mixed solution; step 4, the nano copper and organic composite particles are evenly dispersed in the mixed solution to form nano copper conductive ink; step 5, under the shearing action, the nano copper conductive ink is gelatinization, forming the expected nano copper conductive ink. The nano copper conductive ink prepared by the invention has the advantages of compactness, uniformity, surface smoothness, good conductivity, no macro cracks and micron-scale holes, and has important application in the field of two-dimensional and three-dimensional circuit material addition manufacturing.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米铜导电墨水的制备方法
本专利技术涉及导电墨水制备
，尤其涉及一种纳米铜导电墨水的制备方法。
技术介绍
铜与金、银一样，具有良好的导电性，且铜的抗迁移能力好、成本低廉，被广泛应用于电子制造领域。纳米铜具有尺寸效应，可大大降低烧结温度，因此常被用来制备纳米导电墨水，并用于柔性电子和智能电子器件与系统中互联结构的增材制造，实现个性化电子器件，如太阳能电池、抑制色盲电子隐形眼镜、天线和柔性显示器等的定制。尽管现有技术已能成功制备出具有一定性能的纳米铜导电墨水并应用于电子器件的制造，但所获得的纳米铜互联结构中仍会存在一些问题，例如公开号为CN106928775A的专利申请文件中所涉及的孔隙、裂纹等缺陷，这些缺陷破坏铜互联结构的连续性和致密性，使导电性变差。含孔洞、裂纹的互联结构，工作时受到拉伸、弯曲作用，会开裂甚至完全断裂，使电子器件失效。为解决以上问题，现有技术中也提出了一些方法，例如公告号为CN106366769的专利申请文件所涉及的采用多次打印或者多层涂层方式，最终得到无裂纹铜互联结构，但其缺点是增加了制造时间和成本。【Joo,S.J.,H.J.Hwang,andH.S.Kim,Highlyconductivecoppernano/microparticlesinkviaflashlightsinteringforprintedelectronics.Nanotechnology,2014.25(26):p.265601.】中提及了采用提高烧结温度的方法，保证互联结构的完整性和良好的导电性。但是该方法容易导致基底损伤，一定程度上限制了衬底选取的灵活性。【YuJH,KangK-T,HwangJY,etal,Rapidsinteringofcoppernanoinkusingalaserinair.InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,2014.15(6):p.1051-1054.】中提及了采用高能量密度方式烧结也可以提高铜互联结构的致密性，如激光烧结，但是该方案昂贵的设备以及复杂的技术使制造成本大大增加。上述方法主要从铜互联结构的印制工艺方面改进铜互联结构制备过程中出现的裂纹和孔洞等问题，都具有一定程度的局限性。要彻底解决这个问题，还应该从导电墨水本身的制备、性能调节和使用的全过程进行研究。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种纳米铜导电墨水的制备方法，以便通过简单的方法工艺，制备纳米铜导电墨水，并能有效的解决纳米铜导电墨水在互联结构单次打印过程中出现的裂纹和孔洞问题，最终单次打印得到致密性和导电性良好的高质量铜互联结构，为纳米铜导电墨水在二维和三维电路增材制造中的应用提供必要的材料基础。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种纳米铜导电墨水的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、制备纳米铜-有机复合颗粒：采用模板法，以具有长链的有机高分子形成的纳米胶体为模板，经化学还原制备纳米铜-有机复合颗粒；所制备的纳米铜-有机复合颗粒由粒径为50nm～150nm的纳米铜颗粒表面包覆具有长链的有机高分子，所述具有长链的有机高分子为既具有亲水基团，又具有疏水基团的表面活性剂，并且其在具有桥连作用的分子存在条件下可实现凝胶化；步骤2、制备混合溶剂：将具有第一沸点的一种或几种溶剂以及具有第二沸点的一种或几种溶剂进行均匀混合形成混合溶剂，其中具有第一沸点的一种或几种溶剂的总的体积百分比为50％～70％，具有第二沸点的一种或几种溶剂的总的体积百分比为30％～50％，上述具有不同沸点的溶剂之间互溶，并且制备的混合溶剂能溶解步骤1所述的具有长链的有机高分子；其中第一沸点是指沸点为60℃～120℃，第二沸点是指沸点为120℃～300℃；步骤3、制备混合溶液：在步骤2所制备的混合溶剂中添加具有桥连作用的小分子有机物以及添加剂，以制成均匀的混合溶液，其中所述添加剂包括黏度调节剂、氧化抑制剂、流动性能调节剂及消泡剂；所述氧化抑制剂是可以防止纳米铜颗粒氧化或去除纳米铜颗粒表面氧化层的物质；步骤4、配制纳米铜导电墨水：将步骤1获得的纳米铜-有机复合颗粒均匀分散于步骤3获得的混合溶液中，形成纳米铜导电墨水，其中纳米铜导电墨水中纳米铜-有机复合颗粒的质量百分比为35％～45％；步骤5、使纳米铜导电墨水凝胶化：在剪切作用下，将步骤4获得的纳米铜导电墨水凝胶化，形成预期的纳米铜导电墨水。优选的是，所述步骤1中，所述具有长链的有机高分子是聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种。优选的是，在所述步骤2中，具有第一沸点的溶剂可为水或短碳链的醇类物质，如水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇中的一种或两种，优选水和乙醇；具有第二沸点的溶剂可为多元醇或长碳链的醇类，如乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、二乙二醇、正醇、苯甲醇中的一种或两种。优选的是，在所述步骤2中，具有第二沸点的溶剂选用乙二醇，具有第一沸点的溶剂选用乙醇和水；在制备的混合溶剂中，乙二醇：乙醇：水的体积百分比为1：1：0.5。优选的是，在所述步骤3中，具有桥连作用的小分子有机物是指可以与纳米铜颗粒表面包覆的有机高分子形成化学键的短碳链有机分子，具有桥连作用的小分子有机物可以是乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇等醇类物质中的一种、两种或者两种以上的混合物，所述步骤3中，具有桥连作用的小分子有机物质量占混合溶液总质量的2％以上。优选的是，当纳米铜颗粒表面包覆的有机高分子选用聚乙烯吡咯烷酮时，具有桥连作用的小分子有机物选用乙二醇。优选的是，在所述步骤3中，所述黏度调节剂为甘油、乙基纤维素、松油醇中的一种、两种或两种以上的混合物，优选乙基纤维素；所述氧化抑制剂是可以防止纳米铜颗粒氧化或去除纳米铜颗粒表面氧化层的物质，所述氧化抑制剂为稀盐酸、水合肼、乙烯酸、次亚磷酸钠、甲醛、抗坏血酸、硼氢化钠中的一种，优选水合肼；所述流动性能调节剂采用毕克BYK-415；所述消泡剂为有机硅、矿物油、聚醚、异辛醇中的一种或两种，优选异辛醇。优选的是，所述氧化抑制剂在混合溶液中的质量百分比为10％～20％；所述黏度调节剂、流动性能调节剂及消泡剂的总质量在混合溶液中的质量百分比为0.5％～2％。优选的是，在所述步骤5中，剪切作用为机械搅拌或者机械搅拌和超声同时进行，优选机械搅拌和超声同时进行；所述机械搅拌的速率为100rpm～300rpm，优选120rpm，超声频率为32KHz～40KHz，功率为20W～50W，剪切时间为5min～10min，优选5min。优选的是，所制备的纳米铜导电墨水印刷后所形成的互联结构的烧结温度为150℃～250℃，优选200℃。本专利技术的该方案的有益效果在于通过上述制备方法制备的纳米铜导电墨水可用于单次打印低温烧结，能有效的解决纳米铜导电墨水在互联结构单次打印过程中出现的裂纹和孔洞问题，最终能得到致密性和导电性良好的高质量铜互联结构，为纳米铜导电墨水在二维和三维电路增材制造中的应用提供必要的材料基础。水合肼氧化抑制剂的加入，一方面有效避免纳米铜颗粒的氧化，同时还可以将已氧化的纳米铜颗粒进行还原，生成尺寸比原始纳米铜颗粒更为细小的纳米铜颗粒，干燥过程中使不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米铜导电墨水的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1、制备纳米铜‑有机复合颗粒：采用模板法，以具有长链的有机高分子形成的纳米胶体为模板，经化学还原制备纳米铜‑有机复合颗粒；所制备的纳米铜‑有机复合颗粒由粒径为50nm～150nm的纳米铜颗粒表面包覆具有长链的有机高分子，所述具有长链的有机高分子为既具有亲水基团，又具有疏水基团的表面活性剂，并且其在具有桥连作用的分子存在条件下可实现凝胶化；步骤2、制备混合溶剂：将具有第一沸点的一种或几种溶剂以及具有第二沸点的一种或几种溶剂进行均匀混合形成混合溶剂，其中具有第一沸点的一种或几种溶剂的总的体积百分比为50％～70％，具有第二沸点的一种或几种溶剂的总的体积百分比为30％～50％，上述具有不同沸点的溶剂之间互溶，并且制备的混合溶剂能溶解步骤1所述的具有长链的有机高分子；其中第一沸点是指沸点为60℃～120℃，第二沸点是指沸点为120℃～300℃；步骤3、制备混合溶液：在步骤2所制备的混合溶剂中添加具有桥连作用的小分子有机物以及添加剂，以制成均匀的混合溶液，其中所述添加剂包括黏度调节剂、氧化抑制剂、流动性能调节剂及消泡剂；所述氧化抑制剂是可以防止纳米铜颗粒氧化或去除纳米铜颗粒表面氧化层的物质；步骤4、配制纳米铜导电墨水：将步骤1获得的纳米铜‑有机复合颗粒均匀分散于步骤3获得的混合溶液中，形成纳米铜导电墨水，其中纳米铜导电墨水中纳米铜‑有机复合颗粒的质量百分比为35％～45％；步骤5、使纳米铜导电墨水凝胶化：在剪切作用下，将步骤4获得的纳米铜导电墨水凝胶化，形成预期的纳米铜导电墨水。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米铜导电墨水的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1、制备纳米铜-有机复合颗粒：采用模板法，以具有长链的有机高分子形成的纳米胶体为模板，经化学还原制备纳米铜-有机复合颗粒；所制备的纳米铜-有机复合颗粒由粒径为50nm～150nm的纳米铜颗粒表面包覆具有长链的有机高分子，所述具有长链的有机高分子为既具有亲水基团，又具有疏水基团的表面活性剂，并且其在具有桥连作用的分子存在条件下可实现凝胶化；步骤2、制备混合溶剂：将具有第一沸点的一种或几种溶剂以及具有第二沸点的一种或几种溶剂进行均匀混合形成混合溶剂，其中具有第一沸点的一种或几种溶剂的总的体积百分比为50％～70％，具有第二沸点的一种或几种溶剂的总的体积百分比为30％～50％，上述具有不同沸点的溶剂之间互溶，并且制备的混合溶剂能溶解步骤1所述的具有长链的有机高分子；其中第一沸点是指沸点为60℃～120℃，第二沸点是指沸点为120℃～300℃；步骤3、制备混合溶液：在步骤2所制备的混合溶剂中添加具有桥连作用的小分子有机物以及添加剂，以制成均匀的混合溶液，其中所述添加剂包括黏度调节剂、氧化抑制剂、流动性能调节剂及消泡剂；所述氧化抑制剂是可以防止纳米铜颗粒氧化或去除纳米铜颗粒表面氧化层的物质；步骤4、配制纳米铜导电墨水：将步骤1获得的纳米铜-有机复合颗粒均匀分散于步骤3获得的混合溶液中，形成纳米铜导电墨水，其中纳米铜导电墨水中纳米铜-有机复合颗粒的质量百分比为35％～45％；步骤5、使纳米铜导电墨水凝胶化：在剪切作用下，将步骤4获得的纳米铜导电墨水凝胶化，形成预期的纳米铜导电墨水。2.根据权利要求1所述的纳米铜导电墨水的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，所述具有长链的有机高分子是聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种或两种。3.根据权利要求1所述的纳米铜导电墨水的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，具有第一沸...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘淑杰，李宇杰，李同洲，姜汝意，张鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37