一种水性石墨烯导电涂料及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种水性石墨烯导电涂料及应用，该涂料由石墨烯、分散剂、粘合剂乳液、掺杂剂和其它助剂组成，涂料各成分按质量(重量)百分比计，石墨烯5％～20％，分散剂1％～10％，粘合剂乳液10％～30％，掺杂剂1～5％，其它助剂0.5％～10％，余量为溶剂。该涂料具有导电性能良好，环境友好，可以涂覆在纺织品基材上，作为用于印刷导电电路、抗静电或电磁屏蔽等用途。

【技术实现步骤摘要】
一种水性石墨烯导电涂料及其应用
本专利技术属于高分子及导电涂料
，具体涉及一种水性石墨烯导电涂料及其应用。
技术介绍
导电涂料(或导电油墨)由于导电性好、成本低、原料无毒或低毒、与基材结合牢度高、使用方便，而逐步替代部分金属电路，在智能纺织品、光伏产业、印刷电路、生物传感器、电磁屏蔽材料、抗静电、RFID天线等领域均有应用，其中应用最广的是金属系导电涂料和碳系导电涂料。金属系导电涂料导电性好，成本高，应用受到一定限制，特别是镍、铜导电涂料在施工和使用过程中存在重金属污染，不能应用在与人体密切接触的场合；碳系导电涂料导电性较差，但是价格便宜，使用量较大，而且碳系导电涂料使用安全，可以应用在与人体接触的场合。提升碳系导电涂料的导电性，是行业内研发人员非常关注的一个课题。碳系导电涂料使用的导电材料，通常包括导电炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维、石墨烯等，其中石墨烯被认为是最有前途的一种导电材料。但是市售的石墨烯导电涂料导电性都不理想，与现有的用炭黑/石墨粉加工的导电涂料相比没有优势，主要原因是石墨烯在水相中分散比较困难，同时粘合剂的加入也会降低涂料的导电性。石墨烯是一种典型的二维材料，如果一层一层堆积起来，其接触面积较大，产生的接触电阻很小，可以较好的发挥石墨烯优异的导电性，但是实际情况并非如此。石墨烯在涂料体系中是杂乱无章的堆积，石墨烯片层之间被导电性较差的粘合剂和分散剂间隔，石墨烯片层之间以线接触为主，这样就会导致其接触电阻较大，其优异的导电性不能充分发挥。美国XGSciences公司的水性石墨烯导电油墨，方块电阻10Ω/□，导电性处于行业内先进水平。德国吉赫兹HSF-54水性碳防辐射涂料是一种性能较好的水性碳系导电涂料，方块电阻15Ω/□，导电性好，在市场上很受欢迎。沈阳化工研究院制备的水性碳系高导电涂料，方块电阻可达5Ω/□。但是碳系导电涂料的导电性仍不够理想，到目前为止尚未见到方块电阻低于1Ω/□、应用性能好的水性导电涂料出现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种水性石墨烯导电涂料及其应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术制备粘合剂乳液，其中含有聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸钠)基团(简称PEDOT-PSS基团)，导电性优于普通粘合剂乳液，加入乙二醇掺杂后导电性进一步提升；本专利技术还制备了一种分散性能很好的分散剂。将本专利技术制备的粘合剂乳液和分散剂，加到石墨烯涂料体系中，涂料的导电性得到极大的改善。一种水性石墨烯导电涂料，涂料各成分按质量(重量)百分比计，石墨烯5％～20％，分散剂1％～10％，粘合剂乳液10％～30％，掺杂剂1～5％，其它助剂0.5％～10％，余量为溶剂。所述分散剂为具有结构式(Ⅰ)所示的共聚物：式中m＝40-45，X＝3-7，Y＝140-180，Z＝30-40。其中优选m＝43，X＝5，Y＝161，Z＝35。所述粘合剂乳液为具有结构式(Ⅱ)所示的共聚物：式中R＝H，CH3；a＝180-200；b＝180-220；c＝300-500；d＝150-250；e＝15-25；n＝1-3。其中优选a＝190；b＝200；c＝400；d＝200；e＝20；n＝2。所述的掺杂剂指乙二醇，乙二醇的存在能够使粘合剂乳液(Ⅱ)的导电性呈数量级的提升，乙二醇添加量需要达到涂料总量的1-5％，添加量太少达不到预期效果。乙二醇掺杂剂可提高具有结构式(Ⅱ)所示的粘合剂乳液的导电性，从而提高涂料的导电性。乙二醇的存在使PEDOT和PSS出现相分离，PEDOT片段的导电性好，而PSS片段的导电性相对较差，当乙二醇存在足够长时间，可使PEDOT片段进一步富集，形成高导电的有序化路径，导电性差的PSS与PEDOT出现相分离，在PEDOT富集区内PSS进一步减少，这样在PEDOT富集区形成高度有序化的区域，有利于电荷传输，从而可以获得高导电性。结构式(Ⅰ)所示的分散剂是一种梳状聚合物，含有吡咯烷酮、聚醚和苯基磺酸钠基团，有利于石墨烯的分散，而且阴离子的苯基磺酸钠基团可以有效防止石墨烯的聚集，保持石墨烯分散体系稳定；甲基封端长链聚醚基团在水相中舒展排列，有利于石墨烯整齐排列有序，结构式(Ⅰ)所示的分散剂的存在使石墨烯涂料的导电性得到有效提升，现有的其它分散剂达不到这样好的效果。所述石墨烯为高纯度石墨烯粉体，厚度1～40nm，片径1～25μm，含碳量≥98％，含氧量≤2％。所述的其它助剂包括消泡剂、pH调节剂、柔软剂、流变调节剂、交联剂、增稠剂、保湿剂中的一种或多种。所述消泡剂为本领域常用的消泡剂，比如可以是聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇的乙二醇溶液中的一种或多种。所述pH调节剂为本领域常用的pH调节剂，比如可以是氨水、氢氧化钾、氢氧化钠、三乙胺、二甲基乙胺、AMP-95、N-羟乙基-N′-甲基-1,3-丙二胺、N-甲基二异丙胺、硫酸铵、乙酸、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的一种或多种。所述柔软剂为本领域常用的柔软剂，比如可以是聚硅氧烷微乳液、氨基聚硅氧烷乳液或微乳液、聚醚改性聚硅氧烷乳液、环氧改性聚硅氧烷、羧基改性聚硅氧烷中的一种或多种。例如PRINTOFIXSOFTENERSFTliq就是聚硅氧烷微乳液，性能非常好。所述流变调节剂为本领域常用的流变调节剂，比如可以是合成树脂、天然杂多糖、有机酸改性异多糖体、交联聚丙烯酸盐、纤维素衍生物、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。推荐使用交联聚丙烯酸盐、聚乙烯醇、水溶性丙烯酸树脂、黄原胶、PEG聚糖、纤维素衍生物、聚乙烯吡咯烷酮。水溶性丙烯酸树脂包括PRINTOGENRMliq等。所述交联剂为本领域常用的交联剂，比如可以是氮丙啶交联剂CX-100、PrintofixfixingagentZFliq等。所述增稠剂为本领域常用的增稠剂，比如可以是海藻酸钠、羧甲基淀粉醚、聚丙烯酸增稠剂等。所述保湿剂为本领域常用的保湿剂，比如可以是尿素、乙二醇、丙二醇或丙三醇等。所述溶剂为本领域常用的溶剂，比如可以是蒸馏水、高纯水、纯净水、去离子水中的一种或多种。所述水性石墨烯导电涂料可以直接涂覆在纺织品基材上，作为用于印刷导电电路、抗静电或电磁屏蔽等用途。本专利技术所具有的优点：(1)导电性能好：由于采用特殊的分散剂、粘合剂乳液和掺杂剂乙二醇，使导电涂料的导电性有极大的提高，方块电阻＜1Ω/□(导电涂层厚度25.4μm)。(2)可印刷性能好：可用常规的丝网印刷方式在纺织品表面印刷，使用方便，便于大规模生产。(3)安全环保：导电涂料用水作溶剂，VOC≈0，不受新环保法限制；不添加铜、镍等重金属，可在与人体接触的场合使用。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术作进一步的阐述，但是本专利技术绝非仅限于此。本实施例中所选用的石墨烯等原料均可以通过市售获得。制备例1：分散剂(Ⅰ)的制备方法(1)反应方程式(2)反应过程在一个有机械搅拌、温度计、冷凝器的1000毫升三口瓶中，依次加入500毫升N,N-二甲基甲酰胺、20克对苯乙烯磺酸钠、50克N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、30克甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯(m＝43)，氮气保护，搅拌下升温到60-70℃，加入1克偶氮二异丁腈引发剂，保温反应4小时。降温，再向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水性石墨烯导电涂料，其特征在于：涂料各成分按质量(重量)百分比计，石墨烯5％～20％，分散剂1％～10％，粘合剂乳液10％～30％，掺杂剂1～5％，其它助剂0.5％～10％，余量为溶剂；所述分散剂为具有结构式(Ⅰ)所示的共聚物：

【技术特征摘要】
1.一种水性石墨烯导电涂料，其特征在于：涂料各成分按质量(重量)百分比计，石墨烯5％～20％，分散剂1％～10％，粘合剂乳液10％～30％，掺杂剂1～5％，其它助剂0.5％～10％，余量为溶剂；所述分散剂为具有结构式(Ⅰ)所示的共聚物：式中m＝40-45，X＝3-7，Y＝140-180，Z＝30-40；所述粘合剂乳液为具有结构式(Ⅱ)所示的共聚物：式中R＝H，CH3；a＝180-200；b＝180-220；c＝300-500；d＝150-250；e＝15-25；n＝1-3。2.按照权利要求1所述的水性石墨烯导电涂料，其特征在于：所述掺杂剂为乙二醇。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：魏峰，张丽婷，王瑛，张学龙，刘歌，李琳，李付刚，
申请(专利权)人：沈阳化工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21