一种基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水的制备方法及用途技术

本发明专利技术提供一种基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水的制备方法及用途，利用氧化石墨烯同时作为分散剂、增稠剂和稳定剂，把金属纳米线，氧化石墨烯，去离子水，醇类溶剂，分散剂，表面活性剂，流平剂和消泡剂等按一定质量分数均匀混合，得到导电墨水产品。所得墨水可直接书写或印刷在各种基底材料上，构建具有高导电性，稳定性，柔性，以及强粘附性的导电线路；所构建的导电线路，经过室温下干燥3‑10分钟，即可达到很高的导电率；进一步通过选取50‑200℃的烧结温度，或者室温下的化学还原，或者利用氙气闪光灯烧结等方法处理对氧化石墨烯进行还原和对金属纳米线进行烧结，可进一步提高导电线路的电导率。

Preparation method and use of conductive ink based on metal nanowire and graphene oxide

The present invention provides a conductive ink based on metal nanowires and graphene oxide, preparation method and application thereof, using graphene oxide as dispersing agent, thickening agent and stabilizer, the metal nanowires, graphene oxide, deionized water, alcohol solvent, dispersing agent, surface active agent, leveling agent and defoaming agent according to a certain mass fraction are uniformly mixed, conductive ink products. The ink can be directly written or printed in a variety of substrate materials, construction with high conductivity, stability, flexibility, and strong adhesion of the conductive line; conductive line construction, after drying at room temperature for 3 10 minutes, can achieve very high conductivity; further through the sintering temperature of 200 DEG C from 50 the room temperature or chemical reduction, or using the xenon flash sintering method on graphene oxide reduction and sintering of metal nanowires, which can further improve the conductivity of conductive lines.

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水的制备方法及用途
本专利技术属于纳米材料，导电墨水以及印刷电子产品
，具体涉及一种可直接书写和打印印刷的基于金属纳米线和氧化石墨烯的水性导电墨水的制备方法以及基于此墨水的导电线路的构建方法；主要应用于柔性、可折叠电子线路及器件的构建，电路的引线以及修复电路等。
技术介绍
近年来，电子产品越来越向着小型化，柔性化，可穿戴的发向发展。新型电子器件轻质、集成化等特点也对器件的制备工艺提出了更高的要求：低成本，环保无污染，可循环利用，制备简单，生产周期短，可大规模生产等。光刻是传统柔性微电子产品中制备导电图案最常用的方法，但是这种方法过程较为繁琐，耗时，成本高，而且对环境有一定的污染。新型的电子印刷技术包括丝网印刷、凹版印刷、喷墨印刷等工艺简单、周期短，为柔性器件中导电图案大规模制备提供了可能性。除了上述常规的电路印刷方法，将导电墨水通过笔直接书写在基底上进行快速的电路制备，更是一种简单快捷的电路制备方法。印刷和直写制备电路工艺的核心是适合的导电墨水的制备。目前，导电墨水中的导电成分大多数为金属纳米颗粒或者微米片，例如，中国专利文献CN101710497B公开了一种分散于纤维素中的纳米银导电浆料，将其通过印刷等方式涂布得到的导电图案，250℃烧结处理后电阻率在10-5Ω·cm数量级，但是其墨水中银固含量较高，为10％-70％，并且所需烧结温度高；中国专利文献CN104817891A公开了一种可直写的导电墨水的制备方法，将表面包覆有阴离子表面活性剂的银纳米颗粒分散于乙基纤维素等添加剂中得到导电墨水，其银纳米颗粒固含量在5％-60％，烧结温度较低，但是需要较长的烧结时间，而且其书写的导电线路烘干后导电性不理想，1cm电阻值在数百欧姆级别。这类金属纳米颗粒和微米片墨水往往需要超过50％的金属固含量才能得到理想的电导率，后期需要很高的烧结温度，而且在弯折时易发生导电层断裂，很难实现可穿戴柔性电路对可折叠、弯曲等的要求。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种利用氧化石墨烯同时作为分散剂、增稠剂、稳定剂、抗氧化剂以及机械性能增强剂等，利用金属纳米线作为导电添加剂，低金属固含量、免烧结、环保无污染的可直接书写和打印的水性导电墨水的制备方法。通过丝网印刷，狭缝式挤压型涂布，凹版印刷或柔性版印刷等涂布印刷方式或者将墨水灌于笔芯后利用笔直接书写，可在玻璃，纸张，二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亚胺(PI)，聚碳酸酯(PET)等基底上制备线路或者导电图案。该线路或图案只需在室温下晾干数分钟即可得到优良的导电性(104S/cm数量级以上)。在柔性基底上书写或打印的导电图案晾干后显示出了很好的耐弯曲、折叠等机械形变的性能。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种可直接书写或打印的基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：导电墨水的组分及质量百分比：i.金属纳米线，1.0-15.0％；ii.单层或寡层氧化石墨烯，0.2-2％；iii.助分散剂，0-5％；iv.增稠剂，0-5％；v.表面活性剂，0.05-2％；vi.消泡剂，0.05-2％；vii.去离子水和有机醇类溶剂，69.0-0-98.7％。进一步的，所述金属纳米线是指金、银、铜、镍、铂、钯、铝金属纳米线中的一种，或两种或两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-200纳米，长度为5-150微米。进一步的，所述单层或寡层氧化石墨烯是指分子骨架有六角形晶格排列的单层石墨烯原子组成的，含有大量有机含氧官能团包括羟基、羧基、环氧基、羰基的二维平面材料，单片面积大小在1um2到100um2之间，厚度为0.3-5nm之间，采用化学氧化方法制备。进一步的，所述助分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基磺酸钠、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、以及Gen系列分散剂中Gen0451、Gen1251、Gen0755、Gen1051的一种或几种。进一步的，所述增稠剂为3517、乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、丙二醇单甲醚(PGME)、Rheo8510、Rheo8500、Rheo8600、RHEO8510、R、ViscoPlus3000、ViscoPlus3010稠剂中的一种或几种，或Gel系列增稠剂中PW25、Gel0435、Gel0434、Gel0626中的一种或几种。进一步的，所述表面活性剂为FC4430、FS系列氟碳表面活性剂FS-30、FC系列氟碳表面活性剂FC-300、FSE、N321、N323、TM氟碳表面活性剂中的一种或几种。进一步的，所述消泡剂为LA200、A10、BASFFoamstarMO2170、BYK-028、BYK-019、BYK-024、道康宁DC65、海明斯德谦W-082、海明斯德谦W-086、罗地亚DF5800C产品中的一种或几种。进一步的，所述有机醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、丙三醇、环己醇乙二醇、甘油、二甘醇、三甘醇、正丁醇、松油醇中的一种或几种。一种可直接书写或打印的基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)称取一定量化学氧化法制备的氧化石墨烯，加入一定量去离子水，超声分散得到氧化石墨烯分散液；(2)向步骤(1)所得氧化石墨烯分散液中加入一定量的金属纳米线，超声振荡使其分散均匀，通过微孔滤膜抽滤或者高速离心等方法收集氧化石墨烯和金属纳米线的复合物，并用去离子水清洗多次；(3)配制含有分散剂、增稠剂、表面活性剂、消泡剂，去离子水和有机醇溶剂的添加剂溶液；(4)将得到的氧化石墨烯-金属纳米线复合物重新分散于步骤(3)所得含各种添加剂的溶液中，超声和振荡分散得到分散性良好的导电墨水；其中各组分及质量百分比：i.金属纳米线，1.0-15.0％；ii.单层或寡层氧化石墨烯，0.2-2％；iii.助分散剂，0-5％；iv.增稠剂，0-5％；v.表面活性剂，0.05-2％；vi.消泡剂，0.05-2％；vii.去离子水和有机醇类溶剂，69.0-0-98.7％。一种可直接书写或打印的基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水的用途，其特征在于用于导电线路的构建，是将导电墨水灌到圆珠笔、中性笔、水性笔或钢笔的墨水笔芯，通过直接书写方式在坚硬或柔性基板上书图案，烘干得到金属纳米线-氧化石墨烯导电电极线路；将导电墨水通过丝网印刷，喷墨打印，狭缝式挤压型涂布，凹版印刷或柔性版印刷等涂布印刷方式在纸以及坚硬或柔性基板上构建图案，烘干得金属纳米线-氧化石墨烯导电电极线路。进一步的，圆珠笔或者中性笔的笔头直径为250-1500微米。进一步的，所述坚硬基板包括玻璃、石英玻璃、二氧化硅、陶瓷、氮化铝、玻璃纤维环氧树脂压合板、覆铜板等；所述柔性基板包括打印纸、铜板纸、胶版纸、凸版纸、凹版纸、白版纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯、聚醚酮。进一步的，还包括以下步骤：(1)室温干燥3-15分钟；或进一步选取50-200℃的焙烧温度，1-30分钟的焙烧时间，对在基板上图案进行焙烧烧结来提高印刷电路的电导率；(2)选取化学试剂，包括肼，溴化氢，硼氢化钠，氨水或者氙气闪光灯对基板上电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：导电墨水的组分及质量百分比：i.金属纳米线，1.0‑15.0％；ii.单层或寡层氧化石墨烯，0.2‑2％；iii.助分散剂，0‑5％；iv.增稠剂，0‑5％；v.表面活性剂，0.05‑2％；vi.消泡剂，0.05‑2％；vii.去离子水和有机醇类溶剂，69.0‑0‑98.7％。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：导电墨水的组分及质量百分比：i.金属纳米线，1.0-15.0％；ii.单层或寡层氧化石墨烯，0.2-2％；iii.助分散剂，0-5％；iv.增稠剂，0-5％；v.表面活性剂，0.05-2％；vi.消泡剂，0.05-2％；vii.去离子水和有机醇类溶剂，69.0-0-98.7％。2.根据权利要求1所述基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：所述金属纳米线是指金、银、铜、镍、铂、钯、铝金属纳米线中的一种，或两种或两种以上组成的合金的金属纳米线；所述金属纳米线的直径为10-200纳米，长度为5-150微米。3.根据权利要求1所述基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：所述单层或寡层氧化石墨烯是指分子骨架有六角形晶格排列的单层石墨烯原子组成的，含有大量有机含氧官能团包括羟基、羧基、环氧基、羰基的二维平面材料，单片面积大小在1um2到100um2之间，厚度为0.3-5nm之间。4.根据权利要求1所述基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：所述助分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基磺酸钠、羟丙基甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、以及Gen系列分散剂中Gen0451、Gen1251、Gen0755、Gen1051的一种或几种。5.根据权利要求1所述基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：所述增稠剂为3517、Toyobo乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、丙二醇单甲醚(PGME)、Rheo8510、Rheo8500、Rheo8600、RHEO8510、R、ViscoPlus3000、ViscoPlus3010稠剂中的一种或几种，或Gel系列增稠剂中PW25、Gel0435、Gel0434、Gel0626中的一种或几种。6.根据权利要求1所述基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：所述表面活性剂为FC4430、FS系列氟碳表面活性剂FS-30、FC系列氟碳表面活性剂FC-300、FSE、N321、N323、TM氟碳表面活性剂中的一种或几种。7.根据权利要求1所述基于金属纳米线和氧化石墨烯的导电墨水，其特征在于：所述消泡剂为LA200、BASF-FoamA10、BASFFoamstarMO2170、BYK-028、BYK-019、BYK-024、道康宁DC65、海明斯德谦W-082、海明斯德谦W-086、罗地亚DF5800C产品中的一种或几...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁嘉杰，刘水任，史鑫磊，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12