可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水及其制备和使用方法技术

一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水及其制备和使用方法，属于导电墨水技术领域。该导电铜墨水各个组分及其质量百分比为，铜前驱体：20～73％，络合剂：15～60％，溶剂：10～51％，助剂：0～10％；其制备方法为：将络合剂加入助剂和溶剂，混合均匀，加入铜前驱体，搅拌，用微孔滤膜进行过滤，即可；其使用方法为：将导电铜墨水印刷或涂膜于基板上，在空气中在130～350℃热处理1～15min进行烧结，制得粘合在基板上的铜薄膜/铜导线。该墨水不含有任何固体颗粒，稳定性高，导电性好，制作方法简单易操作。该制备方法可在空气中加热得到单质铜，固化温度低，时间短，无污染，成本低廉，易于实现工业化。

【技术实现步骤摘要】
可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水及其制备和使用方法
本专利技术属于导电墨水
，特别涉及一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水及其制备和使用方法。
技术介绍
印制电子(printedelectronics)是指采用印刷手段，将导电聚合物、纳米金属墨水或纳米无机物等功能性材料墨水印制在基材上，是一种低成本、高效率地制造电路及电子器件的技术。在众多导电墨水中，导电聚合物具有烧结温度低的优势，但是其导电率低且化学稳定性低进而限制了其发展。近些年中，碳材料墨水受到广泛关注，主要是由于其成本低，但是其较低的导电率不能满足于需要高导电率的器件。对于应用较广的金属基墨水，金、银、铜墨水得到广泛关注。金和银墨水因其具有较高的抗氧化性而备受青睐。然而，为了降低成本，研究者们也选用电阻率较低的铜来代替金和银，然而由于铜在空气中易氧化的性质，人们多数将铜基墨水在惰性气体、还原性气体或真空环境下进行烧结致密，这无形中复杂了操作步骤，而且还原性气体较危险。而本专利技术所涉及的铜基导电墨水是由铜基前驱体、溶剂和一些助剂组成，为蓝色液体，不含有任何颗粒物质，稳定性高，可以通过多种印制电子的手段或涂膜技术在基板上印制成线或图案，并经过后续热处理在空气中得到导电铜线，在印制电子方面具有广泛的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水及其制备和使用方法，该墨水不含有任何固体颗粒，稳定性高，导电性好，制作方法简单易操作。该制备方法可在空气中加热得到单质铜，固化温度低，时间短，无污染，成本低廉，易于实现工业化。本专利技术的一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，由铜前驱体、络合剂、溶剂和助剂制得；其中，各个组分及其质量百分比为，铜前驱体：20～73％，络合剂：15～60％，溶剂：10～51％，助剂：0～10％；所述的铜前驱体为硝酸铜、氧化铜、不含有羟基的脂肪族羧酸铜、芳香族羧酸铜或脂环族羧酸铜中的一种或几种混合；所述的络合剂为具有1～6个N原子的脂肪胺、醇胺、酰胺、芳香胺、脂环胺中的一种或几种混合；所述的溶剂为水或醇类化合物中的一种或几种混合；所述的助剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、阿拉伯胶、乙基纤维素、羟甲基纤维素、司班或吐温中的一种或几种混合。所述的司班为司班85、司班80、司班60、司班40或司班20中的一种；所述的吐温的吐温85、吐温80、吐温60、吐温40或吐温20中的一种；所述的铜前驱体为几种混合的混合物时，混合比例为任意比。所述的络合剂为几种混合的混合物时，混合比例为任意比。所述的溶剂中，所述的醇类化合物为含有1～3个羟基官能团且碳原子个数为1～12的醇类化合物。所述的溶剂为水时，无颗粒型铜基导电墨水需加入助剂。所述的助剂为几种混合的混合物时，混合比例为任意比。所述的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水为蓝色，无任何固体颗粒，墨水粘度为1～1000mPa·s，接触角为15～65°，表面张力为20～60mN/m，在室温下存储2年无任何颜色变化及沉淀生成。一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的制备方法，包括以下步骤：(1)按照可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的组分配比，称量各个组分，将络合剂加入助剂和溶剂，混合均匀，得到混合溶液；(2)向混合溶液中，加入铜前驱体，搅拌至铜前驱体全部溶解，用微孔滤膜进行过滤，制得可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水。所述的步骤(1)中，所述的混合均匀，混合时间为15～30min。所述的步骤(2)中，所述的搅拌，搅拌温度为室温，搅拌时间为0.5～12h。所述的步骤(2)中，所述的微孔滤膜的孔径为220nm或450nm。一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的使用方法为：将可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水印刷或涂膜于基板上，在空气中进行烧结，烧结条件为：加热至130～350℃，热处理1～15min，制得粘合在基板上的铜薄膜/铜导线。制得的铜薄膜/铜导线的电阻率为4.1～56.7μΩ·cm。制得的粘合在基板上的铜薄膜，用3M，600M胶带撕拉后，无铜薄膜脱落，且在柔性基板生成的铜薄膜弯折200次后不会破损，电阻率比值1＜R/R0＜2.5(其中R为每次弯折后铜薄膜的电阻率，R0为弯折前的电阻率)。所述的使用方法中，所述的基板为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醚砜树脂(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、玻璃、单晶硅、石英片、陶瓷片或相纸中一种。本专利技术的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的制备方法，所述的步骤(2)中，铜前驱体加入到混合溶液时，发生如下反应：Cu-R+4R’-NH2→Cu(R’-NH2)4R其中，R表示硝酸铜、氧化铜、不含有羟基的脂肪族羧酸铜、芳香族羧酸铜或脂环族羧酸铜中除铜以外的其他官能团，R’表示具有1-6个N原子的脂肪胺、醇胺、酰胺、芳香胺或脂环胺中除胺基官能团以外的其他官能团。本专利技术的一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水及其制备和使用方法，相比于现有技术，其有益效果在于：1.本专利技术的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，不含有任何固体颗粒，克服传统颗粒型铜墨水中固有的缺点(稳定性低、烧结温度高)，稳定性高，制作方法简单易操作，固化温度低，时间短，无污染，导电性好，成本低廉，易于实现工业化。2.本专利技术的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，调节络合物分解温度与溶剂挥发温度之间的前后顺序，可在空气中烧结得到单质铜，无需在惰性气体、还原性气体及真空气氛下烧结，降低危险性且节约成本及操作步骤。3.本专利技术热处理后得到的铜薄膜电阻率在4.1～56.7μΩ·cm，与颗粒型及其他无颗粒型在惰性气体或还原性气体下烧结得到的铜薄膜相差无几，并且铜薄膜与基板的附着性良好，用3M，600M胶带撕拉后无铜薄膜脱落，且在柔性基板生成的铜薄膜弯折200次后不会破损，电阻率比值1＜R/R0＜2.5(其中R为每次弯折后铜薄膜的电阻率，R0为弯折前的电阻率)。4.本专利技术的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，粘度在1～1000mPa·s，接触角为15～65°，表面张力为20～60mN/m，在室温下存储2年无任何颜色变化及沉淀生成。此外，采用本专利技术的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水制备的导电铜薄膜可用于多种材质，如塑料、硅、玻璃、陶瓷、纸张等，还可应用于多种印刷方法或多种涂膜方法中。印刷方法，例如丝网印刷、喷墨打印、凹版印刷、凸版印刷、柔性印刷、平板印刷等；涂膜方法，例如刮刀涂布、丝棒涂布、旋转涂布、喷涂、浸涂等。其中对于印刷方法，粘度范围在1～20mPa·s的墨水适合喷墨打印，而粘度高于20mPa·s的墨水适合丝网印刷，柔性印刷等印刷方式。附图说明图1为实施例1中铜薄膜的XRD图谱。图2为实施例2中铜薄膜的SEM形貌图。图3为实施例3中铜薄膜的Cu2pXPS图。图4为实施例4中铜薄膜的SEM形貌图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细说明。以下实施例中，采用型号为LVDV-II+Pro，BrookfieldEngineeringLabsInc.，USA的粘度计测试可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的粘度，采用美国科诺工业有限公司SL200KS接触角仪测量可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的接触角和表面张力，采用广州四探针科本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，其特征在于，该可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水由铜前驱体、络合剂、溶剂和助剂制得；其中，各个组分及其质量百分比为，铜前驱体：20～73％，络合剂：15～60％，溶剂：10～51％，助剂：0～10％；所述的铜前驱体为硝酸铜、氧化铜、不含有羟基的脂肪族羧酸铜、芳香族羧酸铜或脂环族羧酸铜中的一种或几种混合；所述的络合剂为具有1～6个N原子的脂肪胺、醇胺、酰胺、芳香胺、脂环胺中的一种或几种混合；所述的溶剂为水或醇类化合物中的一种或几种混合；所述的助剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、阿拉伯胶、乙基纤维素、羟甲基纤维素、司班或吐温中的一种或几种混合。

【技术特征摘要】
1.一种可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，其特征在于，该可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水由铜前驱体、络合剂、溶剂和助剂制得；其中，各个组分及其质量百分比为，铜前驱体：20～73％，络合剂：15～60％，溶剂：10～51％，助剂：0～10％；所述的铜前驱体为硝酸铜、氧化铜、不含有羟基的脂肪族羧酸铜、芳香族羧酸铜或脂环族羧酸铜中的一种或几种混合；所述的络合剂为具有1～6个N原子的脂肪胺、醇胺、酰胺、芳香胺、脂环胺中的一种或几种混合；所述的溶剂为水或醇类化合物中的一种或几种混合；所述的助剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、阿拉伯胶、乙基纤维素、羟甲基纤维素、司班或吐温中的一种或几种混合。2.如权利要求1所述的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，其特征在于，所述的溶剂中，所述的醇类化合物为含有1～3个羟基官能团且碳原子个数为1～12的醇类化合物；所述的溶剂为水时，无颗粒型铜基导电墨水需加入助剂。3.如权利要求1所述的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，其特征在于，所述的助剂中，所述的司班为司班85、司班80、司班60、司班40或司班20中的一种；所述的吐温的吐温85、吐温80、吐温60、吐温40或吐温20中的一种。4.如权利要求1所述的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水，其特征在于，所述的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水为蓝色，无任何固体颗粒，墨水粘度为1～1000mPa·s，接触角为15～65°，表面张力为20～60mN/m。5.权利要求1所述的可在空气中加热的无颗粒导电铜墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照可在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓东，董越，孙旭东，张牧，朱琦，刘绍宏，李继光，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21