水性環保碳系導電油墨的制備及其印刷適性研究

摘要：傳統油性油墨污染大、易燃易爆，大大限制了其廣泛應用，隨著工業發展和社會進步，人們的環保意識逐漸增強，市場上迫切需要無公害、環保的涂裝技術，促進了水性油墨技術的發展。本文基于水性丙烯酸樹脂粘結劑，以水性石墨烯漿料為主要導電填充料，導電炭黑為第二導電劑，制備了一種新型水性導電油墨，對水性導電油墨導電性進行優化，并調整水性油墨的印刷適性，如油墨的黏度、流動性、干燥性及油墨附著力等，以滿足絲網印刷工藝條件，提高印刷質量。

關鍵詞：石墨烯、水性油墨、導電油墨、絲網印刷

1 水性導電油墨研究現狀

隨著工業的迅速發展，傳統顏料油墨已不能完全滿足應用需求，一些功能性油墨逐漸出現，尤其導電油墨應用領域廣泛，如導電、防靜電、電磁屏蔽、柔性傳感器及智能智造等領域[1，2]。水性導電油墨是將金屬粉末、碳黑、石墨、石墨烯、金屬氧化物等導電填充料，如圖1.1所示，均勻地分散于有機或無機成膜基料中形成的復合體。導電油墨在干燥固化之前，在樹脂基料和溶劑中的導電填料處于獨立狀態，不互相接觸，油墨處于絕緣狀態[3]。在成膜時，隨著溶劑揮發和樹脂收縮，墨層不斷干燥并接觸，形成導電網絡，從而使涂層導電。

2 水性碳系導電油墨的制備

2.1實驗儀器與材料

實驗材料：水性丙烯酸樹脂（30%），佛山市紅樹水性印涂材料有限公司;無水乙醇（95%），煙臺三和化學試劑有限公司;磷酸三丁酯，無錫市東湖化工廠;水性分散劑，潤安科技公司;碳黑，天津億博潤材料有限公司;其余實驗耗材均為市售產品。

實驗儀器及其廠家請見表2.1：

2.2水性碳系導電油墨制備工藝

按配比稱取實驗原材料，在混料瓶中先加入樹脂和溶劑，充分攪拌均勻，然后加入碳黑、石墨烯，充分研磨攪拌至無干燥的固體粉末為止，經三輥研磨機反復研磨，使得油墨的細度小于10微米，即得試樣，具體實驗流程如下圖所示：

2.3性能測試

使用涂布器制備水性導電油墨涂層，在80鼓風式干燥箱中烘干，使用四探針電阻率測試儀測試體積電阻率，使用絲網印刷機測試水性油墨印刷適性，使用TG/DSC評價油墨熱穩定性及其固含量。

3 水性碳系導電油墨印刷適性研究

3.1導電填充料含量對水性導電油墨電阻率的影響

以水性丙烯酸樹脂為粘結料，控制炭黑量不變，探討不同石墨烯含量對導電油墨電阻率的影響，石墨烯含量由0.5%～2.0%變化，隨著石墨烯含量的增加，樣品體積電阻率減小，當石墨烯質量分數大于1%后，體積電阻率下降趨勢減緩。

控制石墨烯的含量，隨著導電碳黑含量增加，水性導電油墨電阻率急劇下降，當質量分數達10%以后，下降趨勢減緩，當質量分數大于20%時，體積電阻率反而增大，如圖所示。這是由于隨著導電碳黑增加，水性導電油墨粘度增加，形成比較完整的導電網絡，電子通過隧道效應導電，涂層體積電阻率降低，當導電碳黑含量達到一定值后，體系粘度較大，導電碳黑分散性變差，不能將粒子充分粘接、接觸，導電網絡形成較差，體積電阻率較大。

3.2樹脂含量對油墨附著力的影響

樹脂作為粘結劑可以充分與填料分散均勻，包覆導電粒子，樹脂作為油墨的基體，包覆導電粒子，固化后，粘結劑可以使導電粒子相互接觸，形成良好的導電材料與粘結料網絡，成膜強度取決于樹脂粘結料連接與分散[6]。分別控制樹脂含量為5%、15%、25%、35%、50%，發現隨著樹脂含量的增加，水性導電油墨粘度逐漸增大，導電性降低，附著力提高，但當樹脂達到35%以上時，其附著力趨于穩定，均達5B，實驗數據如下表所示：

3.3水性導電油墨印刷適性調整

印刷適性是油墨最基本性能要求，使油墨可以滿足不同印刷方式，如絲網印刷、噴墨、柔性印刷、凹版印刷等不同印刷方式。本實驗中制備的水性導電油墨可用于絲網印刷，如下表2所示，能夠滿足印刷生產要求，可用于柔性電子電路的印制，有望用于智能穿戴傳感領域，如下圖3.3所示：

4 結論

本文通過實驗研究，制備了基于石墨烯、導電炭黑為導電劑的環保型水性導電油墨，對水性導電油墨導電性進行優化，并調整水性油墨的印刷適性，如油墨的黏度、流動性、干燥性及油墨附著力等，以滿足絲網印刷工藝條件，下一步將繼續研究石墨烯三維導電網絡的搭建對其導電性能的影響。

參考文獻

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[2]高曉敏.劉際偉.劉永華.分散助劑對丙烯酸基電磁屏蔽導電涂料性能的影響[J].材料科學與工程，2002，（3）：410-413.

[3]費華.張莉莎.周賽春.丙烯酸類樹脂為基料的水性油墨的研究[J].華中師范大學學報（自然科學版），2001，（3）：319-321.

[4]楚高利.王琪.導電油墨印刷適性的探討[J].河南紡織高等專科學校學報，2000，（1）：28-31，41.

[5]吳松山.薄膜開關導電油墨及其應用[J].絲網印刷，1996，（2）：18-27.

[6]吳松山.薄膜開關導電油墨及其應用（一）[J].絲網印刷，1996，（1）：30-36.

作者簡介：李葉紅，女，漢族，廣東中山，1975年12月，本科，工程師，，研究方向（輕工包裝印刷），寫作方向：（水性環保碳系導電油墨的制備及其印刷適性研究）。