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新型导电油墨的制备

资料来源:《广东印刷》2009年第3期 作者:陈伊凡 更新日期:2009-11-27

导电性油墨是指印刷在非导电承印物上,使之具有传导电流和排除积累静电荷能力的油墨,一般是印在塑料、玻璃、陶瓷或纸板等非导电承印物上。印刷方式很多,如丝网印刷、凸版印刷、柔性版印刷、凹版印刷和平板印刷等均可采用。可根据膜厚的要求选用不同的印刷方法,膜厚不同则电阻、阻焊性及耐磨擦性等亦各异。导电油墨按其结构不同可分为结构型和填充型两类,目前应用于电子行业的导电油墨主要是复合型导电油墨,所用的导电填料一般为无机填料,如金、银、铜、镍、炭黑、石墨、碳纤维等,而连结料树脂通常选用酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯等 。其中环氧树脂因性能优良及原料廉价易得而在导电聚合物中广为应用,但也存在粘度大、脆性大、弹性小、耐冲击性差等缺点,所以有必要对其改性增韧 。互穿聚合物网络( IPN) 是聚合物改性的新领域,使聚氨酯和环氧树脂复合、共混形成IPN 体系,是近年来研究较多的课题。IPN 结构可通过强迫互容与协同效应使聚氨酯的高弹性与环氧树脂的良好耐热性与粘接性有机结合在一起,以取得良好的增韧效果。我以端异氰酸酯聚氨酯为增韧剂,通过端异氰酸酯基与环氧树脂上的仲羟基反应,在环氧树脂上引入柔韧性的醚键,从而改善环氧树脂的韧性,并用改性后的环氧树脂加入导电填料制得导电油墨。
在其应用方面,它可以应用在柔性电路和RFID上面。柔性电路是实现电子信息产品多功能化、集成化、小型化和低成本的关键部件。随着电子产品与设备向轻、薄、小、低成本、多功能、高可靠性等方向发展,柔性电路的用量越来越大,利用导电油墨或导电墨水通过印刷或打印的方式,在柔性绝缘基板上形成导电线路引起了广泛关注。通过检测表明改性环氧树脂基导电油墨有良好的附着力,印制的导电线路抗弯折性达到10000次,满足柔性印刷电路的要求。RFID是一种预期能够代替条形码的电子标签,由天线和微型芯片构成,但是在推广过程中,因其技术不够经济而使发展受到阻碍,而用新型导电油墨印制的低成本标签天线,低成本封装技术将促进RFID标签的大规模生产,并成为未来一段时间内决定该产业发展速度的关键因素之一。我以改性环氧树脂作为连结料,导电炭黑、导电石墨作为导电填料,加上适量的固化剂、溶剂和分散剂,制备了改性环氧树脂基导电油墨,并对其性能进行了研究,将其运用到RFID中,天线的优势将会越来越突出。
一、连接料及油墨的制备
1.聚氨酯预聚体的制备
先在三口烧瓶中加入聚乙二醇,再加热抽真空脱水1小时,待其冷却后再充氮气保护,保持内温80℃,尽快加入化学计量的TDI , TDI和聚乙二醇用量的摩尔量比为1.2:1,搅拌4小时后停止反应,即得到端异氰酸酯聚氨酯预聚体,冷却至室温待用。用二正丁胺法测NCO 含量为5 %。

2.聚氨酯改性环氧树脂IPN的合成
在三口烧瓶中加入环氧树脂,再进行搅拌,一边进行搅拌一边加入乙二醇乙醚醋酸酯(CAC),直至环氧树脂完全溶解,然后保持内温70 ℃,加入化学计量的聚氨酯预聚体, 环氧树脂:预聚体二者质量比为9:1,反应时间为2 h ,最后得到聚氨酯改性环氧树脂IPN。
3.改性环氧树脂基导电油墨的制备
先将质量比为3:2的导电炭黑和导电石墨混在一起,再加入聚氨酯改性环氧树脂IPN (与混合物的质量比为6:25),再加入少量固化剂(聚氨酯树脂)、溶剂(环己酮)和分散剂(FA-196), 在研磨机中研磨30分钟 ,得到改性环氧树脂基导电油墨。
二、导电油墨的检测
1.改性环氧树脂基导电油墨的固化行为
用Perkin ElmerDSC-7型热分析仪进行差示扫描热分析(DSC),气氛为静态空气,升温固化,DSC的升温速率为10℃/min,温度范围为35~180℃。
导电油墨的DSC曲线
图一
从图一曲线a可以看出,导电油墨在140℃左右有一个明显的放热峰,和改性环氧树脂的固化相关。从图中曲线b可以看出,当导电油墨在140℃下加热15 分钟后,导电油墨基本固化完全。
2.柔性电路板耐弯折性
用拓斯达TOS-817型摇摆实验机测试改性环氧树脂基导电油墨印刷线路的耐弯折性。测定导电线条长2.4 cm、宽0.9 mm、厚3μm,测5个平行值,取平均值。实验参数如下:摇摆角度:180°;摇摆速度:60次·min-1;摇摆次数:10000次;温度:28℃,相对湿度:80%。
表1 改性环氧树脂基导电油墨印刷电路耐弯折实验的电阻值×106Ω
从表中可以看出.由聚氨酯改性环氧树脂为连结料的导电碳浆用丝网印刷的方式印制成导电线路,在经过10000次180°弯折后,电阻率上升为0.57%,说明聚氨酯改性环氧树脂E-51的柔韧性得到了改善,以其作为导电油墨的连结料,符合印刷电路的要求。
3.改性环氧树脂基导电油墨印刷电路线条附着力
将3M600#胶粘带粘在已固化好的印刷试样线条上,导电线条长10cm、宽0.9mm、厚3μm,保证粘胶带长边与导电线条方向平行,用高级绘图橡皮用力擦平,放置1分钟后,用力垂直迅速拉脱胶带,观察胶带及试样线条是否有膜层拉脱,并测粘附前后线条电阻变化值,每种导电线条测5个平行值,取平均值。
表2 改性环氧树脂基导电油墨印刷电路粘附实验的电阻值×106Ω
经3M600#胶粘带拉脱实验后,改性环氧树脂基导电油墨印刷线条无膜层拉脱。由表可知粘附实验后导电线路电阻r升率为29.95%。说明利用改性的环氧树脂作连结料的导电油墨的附着力较好。
三、结论
以2 ,4-甲苯二异氰酸酯与聚乙二醇反应合成的端异氰酸酯聚氨酯预聚体,将其用于环氧树脂的改性,以改性环氧树脂作为连结料,导电炭黑、导电石墨作为导电填料,加上适量的固化剂、溶剂和分散剂,制备的改性环氧树脂基导电油墨,通过检测表明改性环氧树脂基导电油墨有良好的附着力,印制的导电线路抗弯折性达到10000次。