一种碳基导电油墨其制备方法及用途技术

本发明专利技术属于导电油墨和传感器技术领域，具体涉及一种碳基导电油墨及其制备方法，按照质量百分比，包括碳材料组分5％～30％，所述碳材料组分包括炭黑，或者炭黑与石墨烯或碳纳米管中的一种或两种的混合物，水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液60％～90％，其余为溶剂，水性丙烯酸树脂与水性聚氨酯树脂固含量的质量比为1:3至1:15；本发明专利技术还涉及该导电油墨在平行梁称重传感器上的应用。本发明专利技术的有益效果是：制作导电油墨的工艺简单，烘干后韧性好、附着力强且可获得高阻抗的电阻；该导电油墨制作的平行梁式称重传感器有灵敏系数高，阻抗大，制作工艺简便的优势，在相同灵敏度输出的要求下，提高小容量称重传感器的安全系数。

A carbon-based conductive ink and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种碳基导电油墨其制备方法及用途
本专利技术属于导电油墨和传感器
，具体涉及一种碳基导电油墨、其制备方法，以及该碳基导电油墨在平行梁称重传感器上的应用。
技术介绍
导电油墨是目前国内外研究印刷电子技术中的一种关键材料和研究热点。导电油墨主要是由导电填料、粘结剂和溶剂等通过特定的配方，借助相关分散技术所形成的溶液，根据不同的需求，该溶液具有相应的粘度、表面张力和固含量等物化性能指标，以此适应印刷或涂布等工艺要求。导电油墨在固化过程中，内部溶剂挥发，导电填料颗粒与粘结剂紧密的连结在一起，导电填料颗粒相互之间的间距决定了该导电油墨的导电性能。目前导电油墨的以导电填料的性质为标准，主要有无机导电油墨和有机导电油墨两大类。其中无机导电油墨主要包括以金属和金属氧化物为导电填料的金属系导电油墨、以无机半导体为导电填料的半导体导系电油墨、以及以碳材料为导电填料的碳系导电油墨，有机导电油墨主要是以有机导电高分子材料为导电填料的导电油墨。目前研究热门的导电油墨是碳系导电油墨，其制作方便，价格便宜，被广泛应用于薄膜开关和印制电路板等。目前对导电油墨研究主要集中在如何提高导电油墨的导电性能，如中国专利CN105001716B公开了一种石墨烯基低电阻导电油墨及其制备方法，其主要利用石墨烯基材料为导电填料，并通过丝网印刷在PE膜上制备导电薄膜，其电阻率可达到10-7Ω·cm数量级，同样中国专利CN109096827A也公开了一种低电阻导电油墨组合物及其制备方法，其主要利用石墨烯包覆纳米银粉末为导电填料制备导电油墨，并通过丝网印刷薄膜电阻可使得体积电阻达到10-5Ω·cm数量级，其制备的电阻器件都具有较小的电阻值。平行梁式称重传感器是目前较为常用的一种称重传感器，其广泛应用于小量程家用电子秤、商用电子秤和厨房秤等许多领域。现有平行梁式称重传感器的制造方法一般是在平行梁结构弹性元件的敏感区通过胶粘剂粘贴应变片，并利用工装夹具固定粘贴的应变片，再将连有工装夹具的弹性元件一起放进温箱进行固化。其主要存在以下的问题：平行梁称重传感器一般使用的是康铜应变片，该应变片主要存在灵敏系数低(为2左右)，阻抗小(一般在5000Ω以下)；粘贴应变片的工艺要求较高，实现自动化工艺较为复杂，影响了生产效率；传统的应变片包含感应应变的敏感栅和承载敏感栅的基底，而且应变片粘贴到弹性元件上的胶粘剂厚度及基底厚度降低了应变片感应应变的能力等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有导电油墨电阻率小和利用普通应变片粘贴平行梁式称重传感器灵敏系数低，阻抗小，工艺复杂的问题，提供一种高阻抗的碳基导电油墨，及其制备方法，并利用该碳基导电油墨，通过丝网印刷的工艺在平行梁结构弹性元件印制灵敏系数高，阻抗大，感应应变能力强的平行梁称重传感器。为解决导电油墨电阻率小，灵敏系数低的问题，因此，在第一方面，本专利技术所采用的技术方案是一种碳基导电油墨，按照质量百分比，包括如下原料：碳材料组分5％～30％；水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液60％～90％；溶剂5-20％。其中，所述碳材料组分包括炭黑，或者炭黑与石墨烯和碳纳米管中的一种或两种的混合物；其中，水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液的固含量为10％～50％，水性丙烯酸树脂与水性聚氨酯树脂固含量的质量比为1:3至1:15。在一个实施技术方案中，优选地，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺与丙酮或者乙醇的混合物。利用N，N-二甲基甲酰胺在高温时才能挥发，而丙酮或乙醇在较低温度就能挥发，所以在一定温度下搅拌，容易使得丙酮或者乙醇挥发，而使得所获得的导电油墨达到所需要的粘度。在第二方面，本专利技术还提供了在第一方面的技术方案一种碳基导电油墨的制备方法，包括以下步骤：(S1)将水性聚氨酯树脂溶液与水性丙烯酸树脂溶液配制成混合液，搅拌均匀，得到第一混合溶液；(S2)将所述碳材料组分加入到所述第一混合溶液中，添加溶剂，并放置在搅拌装置上搅拌均匀，即得到碳基导电油墨。所述碳基导电油墨中，各组分质量百分比含量为：碳材料组分5％～30％；水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液为60％～90％；溶剂5-20％；其中，所述碳材料组分包括炭黑，或者炭黑与石墨烯或碳纳米管中的一种或两种的混合物；所述水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液中的固含量为10％～50％，其中水性丙烯酸树脂与水性聚氨酯树脂固含量的质量比为1:3至1:15。在一个实施技术方案中，优选地，步骤(S2)中的所述搅拌装置为温控搅拌装置，搅拌温度为50℃～100℃，转速为500rpm～2000rpm。该步骤采用温控搅拌装置使得碳基导电油墨在一定温度下进行搅拌，更利于分散均匀，而且能够将易发辉的溶剂加热到相应的温度使之挥发出来，从而获得相应粘度的碳基导电油墨。为解决现有利用普通应变片粘贴平行梁式称重传感器灵敏系数低，阻抗小，工艺复杂的问题，在第三方面，本专利技术利用第一方面和第二方面所述碳基导电油墨，提供的技术方案是一种平行梁式称重传感器，其包括平行梁结构的弹性元件、附着在所述弹性元件上敏感区具有目标图案的敏感元件以及连接所述敏感元件的输出电路；其特征在于，所述敏感元件，包括与印制在所述弹性元件上敏感区的第一绝缘层、印制在所述第一绝缘层上的两根连接线、利用所述碳基导电油墨丝印在所述连接线之间的敏感层，以及覆盖在所述连接线和所述敏感层上的第二绝缘层。在一个实施技术方案中，优选地，所述第一绝缘层为水性聚氨酯与水性丙烯酸酯混合液，或者UV胶；所述第二绝缘层为水性聚氨酯与水性丙烯酸酯混合液，或者UV胶。采用和所述碳基导电油墨相同的胶粘剂混合液，有利于简化工艺，节省成本；采用UV胶的固化工艺较为简单，所以采用UV胶有利于简化操作工艺。在一个实施技术方案中，优选地，所述连接线为低电阻的金属系导电油墨。低电阻的金属系导电油墨作为连接线，便于使用丝网印刷工艺完成传感器的制作，另外低电阻的金属系导电油墨相较于本专利技术的碳基导电油墨所形成电阻阻抗小(几个数量级)，所以用低电阻制成的连接线的阻抗变化相对于本专利技术的碳基导电油墨的阻值可以忽略不计，便于提高传感器的精度。在一个实施技术方案中，优选地，所述敏感元件数量为4组，所述输出电路为惠斯通电桥。在第四方面，本专利技术还提供了在第三方面所采用的技术方案是一种利用上述所述碳基导电油墨制造平行梁式称重传感器的制作方法，包括以下步骤：(a)印制所述第一绝缘层，将第一绝缘层网版放置于所述弹性元件其中一个表面的上方，所述第一绝缘层网版与所述弹性元件的丝印位置距离2～5mm，所述第一绝缘层的油墨通过所述第一绝缘层网版丝印在所述弹性元件表面，并烘干所述第一绝缘层；(b)印制所述连接线，在步骤(a)所获得的所述弹性元件的所述第一绝缘层上印制所述连接线；(c)印制所述敏感层，将碳基导电油墨网版放置在步骤(b)所获得的所述第一绝缘层上方，所述碳基导电油墨网版与所述第一绝缘层的丝印位置距离2～5mm，所述碳基导电油墨通过所述碳基导电油墨网版丝印在所述连接线之间，并烘干所述碳基导电油墨；(d)印制所述第二绝缘层，将第二绝缘层网版放置在步骤(c)所获得的所述敏感层上方，所述第二绝缘层网版与所述敏感层的丝印位置距离2～5mm，第二绝缘层油墨通过所述第二绝缘层网版丝印在所述碳基导电油墨制备的敏感层上，并覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基导电油墨，其特征在于，按照质量百分比，包括如下原料：碳材料组分5％～30％；水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液60％～90％；溶剂5‑20％；其中，所述碳材料组分包括炭黑，或者炭黑与石墨烯和碳纳米管中的一种或两种的混合物；所述水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液中的固含量为10％～50％，其中水性丙烯酸树脂与水性聚氨酯树脂固含量的质量比为1:3至1:15。

【技术特征摘要】
1.一种碳基导电油墨，其特征在于，按照质量百分比，包括如下原料：碳材料组分5％～30％；水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液60％～90％；溶剂5-20％；其中，所述碳材料组分包括炭黑，或者炭黑与石墨烯和碳纳米管中的一种或两种的混合物；所述水性聚氨酯树脂与水性丙烯酸树脂混合液中的固含量为10％～50％，其中水性丙烯酸树脂与水性聚氨酯树脂固含量的质量比为1:3至1:15。2.根据权利要求1所述的一种碳基导电油墨，其特征在于：所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺与丙酮或者乙醇的混合物；N，N-二甲基甲酰胺与丙酮或者乙醇的质量比为1：3。3.根据权利要求1所述的一种碳基导电油墨的制备方法，包括以下步骤：(S1)将水性聚氨酯树脂溶液与水性丙烯酸树脂溶液混合，搅拌均匀，得到第一混合溶液；(S2)将所述碳材料组分加入到所述第一混合溶液中，添加溶剂，并放置在搅拌装置上搅拌均匀，即得到碳基导电油墨。4.根据权利要求3所述的一种碳基导电油墨的制备方法，其特征在于，步骤(S2)中的所述搅拌装置为温控搅拌装置，搅拌温度为50℃～100℃，转速为500rpm～2000rpm。5.一种利用如权利要求1所述的碳基导电油墨制备的平行梁式称重传感器，包括平行梁结构的弹性元件(1)、附着在所述弹性元件(1)上敏感区具有目标图案的敏感元件(2)以及连接所述敏感元件(2)的输出电路，其特征在于：所述敏感元件(2)，包括与印制在所述弹性元件(1)上敏感区的第一绝缘层(21)、印制在所述第一绝缘层(21)上的两根连接线(22)、利用所述碳基导电油墨丝网印刷在所述连接线(22)之间的敏感层(23)，以及覆盖在所述连接线(22)和所述敏感层(23)上的第二绝缘层(24)。6.根据权利要求5所述的平行梁式称重传感器，其特征在于：所述第一绝缘层(21)为所述水性聚氨酯与水性丙烯酸酯混合液，或者UV...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建宁，徐修祝，程广贵，袁宁一，张忠强，王晓东，郭立强，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32