导电纸材料的研究

导电纸材料的研究

印刷和电子等科学技术的发展，使印刷行业在电子商务中的应用越来越广泛。从电路、板、按钮、开关等方面，今天的印刷与印刷密切相关。这些产品的打印与导电墨水材料密切相关。导电油墨就是指印刷于非导电体承印物(如塑料、玻璃、陶瓷、纸板等)上,使之成为具有传导电流和排除积累静电能力的油墨。1导电油墨的制备导电油墨是一种特种油墨,它可在UV油墨、柔版水性油墨或特殊胶印油墨中加入可导电的载体,使油墨具有导电性。导电油墨主要由导电材料、粘合剂、溶剂和助剂组成。导电油墨是一种导电性复合材料,在导电墨体系中,有无数个导电粒子均匀地分散在连结料中,形成一种包含溶剂的浆状物,处于绝缘状态。固化干燥之后,溶剂挥发,导电材料和粘合剂等固化,彼此之间紧密连结为一体,导电粒子间的距离变小,自由电子沿外加电场方向移动形成电流。1.1导电材料的组成在导电油墨中,导电材料是构成导电油墨的主要材料,其性质和数量决定油墨的导电性大小,因此,导电材料对导电油墨来说至关重要。而对导电油墨的研究开发,也主要集中在导电材料上。导电材料主要有无机导电材料和有机导电材料。无机导电材料主要有无机类的金属粉末(如金粉、银粉、铜粉、铝粉、镍粉等)、半导体(锗)、非金属(石墨、碳纤维等)、金属氧化物(氧化锡、氧化铟、氧化铋等)等。有机导电材料主要是在………SSuMmTm…a…ri…za…ti…on…&……Co…m…m…e…nt……………………有机物中加入导电粉或导电丝或外表面蒸镀导电薄综表膜。如有机导电高分子聚合物、有机半导体、有机导电纤维等。有机导电材料的导电机理就是利用述面导电体来导电,但它都存在一定的电阻。与安1.2粘合剂评装它是组成导电油墨的主要成膜物质,主要有天论然树脂、合成树脂、碱金属硅酸盐等(如环氧、技醇酸、丙烯酸、硅树脂)。粘合剂一般属于绝缘术体,有时为了相对比较其导电性,分别取种类不同重量相同的粘合剂引入同量的导电材料制成导电油墨。不同种类的粘合剂。即使采用相同品种、相同数量的导电材料所制得导电涂层的导电率也是不同的。在导电油墨中,提高导电性主要从选择导电材料和变更填充量入手,而粘合剂的选择主要从使用对象所要求的物化性能人手。在性能满足前提下,一般采用电阻变化小,稳定性高的粘合剂。导电粒子在粘合剂中分散好、移动性小、导电误差小。导电材料填充料和粘合剂基料的配合比例对导电油墨来说非常重要。如果粘合剂用量远远超过了导电材料,墨膜固化后,导电材料不能连结成链状排列,即使有些导电性,也是不稳定的。相反当导电材料加入量超过临界体积浓度时,也不能得到导电性好的导电墨膜。例如,采用银粉为导电材料。当含银量在70%~90%(体积比20%~50%)是适宜的。当银含量小于70%时,电阻率的变化不稳定;当含量大于90%,电阻值反而升高。1.3丝印速度的调节在导电油墨中,溶剂的主要作用是:(1)具有能溶解粘合剂树脂的能力,以便用于溶解油墨中树脂制成的粘接料。(2)分散油墨中的颜料和溶解助剂,提高油墨的印刷适性。(3)溶解、溶胀承印物,提高油墨与承印物的附着力。(4)调节黏度,改善油墨的适印性。(5)调节干燥速度,适应丝印环境的要求。溶剂具有能溶解粘合剂树脂的能力,但溶剂不能使导电材料的导电性变得不稳定,降低墨膜的物理化学性能。此外,对于溶剂的选择还要考虑溶剂挥发速度对印刷适性的影响。溶剂的干燥速度是由溶剂本身的挥发速度来决定的,而挥发速度取决于溶剂本身的沸点。根据沸点不同,溶剂可分为快干型(沸点100℃~150℃)、中干型(沸点150℃~200℃)和慢干型(沸点在200℃以上)。各种溶济都不是单一品种的溶剂,它们都是由几种溶剂混合而成,从而控制油墨的干燥速度。不同的网印设备和环境要选择相适的溶剂,若选用不当,则会产生堵网、网纹;材料上被侵蚀而开裂等现象,所以选择适当的溶剂是非常重要的。一般来说,全自动网印机用快干型溶剂,手工网印和在高温低湿的情况下用慢干型溶剂,在有空调和控湿的环境下用中干溶剂。1.4导电材料的防氧化剂的制备主要是指导电油墨的分散剂、流平剂、增稠剂、润滑剂、金属导电材料的防氧化剂等。对助剂的添加量要注意控制,因为油墨助剂加入量过多会对导电性能等产生不良影响,因此添加时应以少量浙进为宜。2低脂肪的分类和应用导电油墨按导电材料的性质可分为无机系和有机系,它们具有不同的特点,目前在导电油墨印刷中主要是使用无机系导电油墨。2.1导电油墨印刷技术无机系导电油墨使用无机系导电材料,根据选用的无机导电材料的类型,目前常用的有金系导电油墨、银系导电油墨、铜系导电油墨、碳系导电油墨等。(1)金系导电油墨。化学性质稳定、导电性能、抗蚀性、抗氧化性等都非常好,但价格昂贵,用途仅局限于厚膜集成电路等有特殊要求的产品。(2)银系导电油墨。化学稳定性、导电性等仅次于金粉。但银粉导电油墨对温度比较敏感,温度高导电能力就高,反之就降低,因此在选用时要加以注意。银系导电油墨主要用于薄膜开关的导电印刷。当承印材料为聚酯时,可将银粉分散到聚酯树脂连结料中,即可做成糊状导电油墨。当油墨膜干燥不良时,电阻值会下降,最好用远红外干燥机在120℃~130℃下烘干。(3)铜系导电油墨。是目前使用最为广泛的导电油墨之一。铜粉具有良好的导电性能,且铜比金银的价格要低廉,但抗氧化性能差,存在易氧化的缺点。因此在实际应用中,一般使用有机磷化合物、抗氧化剂与铜粉混合物,以提高其稳定性和可靠性。现在多使用经过防氧化处理的铜粉,使用这种油墨印刷的电路不易被氧化,但缺点是一经高温处理,就会失去防氧化效果。铜系导电油墨主要用于印刷电路、电磁屏蔽等产品。(4)镍系导电油墨。其优势是价格较低,但其导电性能一般,且易于氧化,在实际应用中需要进行抗氧化处理。目前主要用于电磁屏蔽产品。由于铜、镍粉容易氧化导电性不稳定。为防止其氧化,通常将其放入1、2、3-苄基三氮的溶液中浸渍后,再从溶液中分离出,干燥后再使用,或者与有机磷化合物相配合。如用含有铜粉的油墨,添加磷酸化合物,就可得到长期的导电性。(5)碳系导电油墨。碳系导电油墨中使用的填料有导电炭墨、碳素纤维、乙炔黑、炉法炭墨和石墨等,选用的填料不同,其导电性能和电阻位也不相同。炭黑、石墨、碳素纤维等都具有稳定的化学性能。与金属导电材料相比,碳系导电油墨的价格比较便宜,但导电性和耐湿性都不好,只能用于导电等要求比较低的产品印刷。碳系导电油墨目前多用于薄膜片开关和印制电阻。2.2导电高分子材料有机系导电油墨(涂料)包括可消除积累静电荷的防静电涂料。有机系导电材料主要有:π电子共轭体系(包括乙炔及其衍生物,热解聚合物,含金属的多共轭聚合物),这种材料都具有大的共轭双键,其中π电子可在共轭体系中自由运动,故具有导电性能。分子间化合物,这类材料是由一个电子给予体分子和一个电子接受体作用后发生电荷转移而形成的。有机物合成离子型防静电助剂,合成具有共轭π键的本征型导电高分子材料,是目前极为活跃的一个研究领域,但还未从实验室研究走向实用阶段,其主要缺点有:制造成本高、制备工艺复杂、难控制,且此类高分子聚合物在一般有机溶剂中溶解困难,很难用普通方法施工。此外,有机系导电涂料中只有电子共轭体系的导电高分子,由于此类涂料还在研制开发中,因此尚未见广泛使用。2.3导电聚氨酯导电涂料如今还有一些高新技术含量的导电油墨,如下面所述。(1)纳米导电油墨。由于纳米级碳墨具有导电性,对静电具有很好的屏蔽作用,防止电信号受到外部静电的干扰,若把它加入油墨就能制成纳米级导电油墨,可应用诸如大容量集成电路、现代接触式面板开关等高新技术产品的印刷。在导电油墨中,如将金属粉(如银粉)制成纳米级而代替微米级银粉,不仅能提高导电性能,还可以节省50%的银粉,这种导电油墨可以直接印在陶瓷和金属上,膜层薄且均匀光滑,性能很好。若将铜、镍等材料制成0.1µm~1µm的超微颗粒,它可以替代铂、金、银等重金属导电材料。此外,由纳米聚氨酯涂料和导电粉组成复合体系,将配制了的纳米聚氨酯涂料加入到云母导电粉中,搅拌均匀,研磨,就可制成纳米聚氨酯抗静涂料,其中纳米聚氨酯质量分数约占65%~88%,导电粉质量分数约占12%~35%。这种纳米聚氨酯防静电涂料与传统的用石墨、碳墨做导电粉的防静电涂料相比色泽更美观,品种更丰富,具有很好的装饰性;同时又具有突出的耐磨性、耐刮性和透明性等。目前,纳米导电油墨已应用于无线智能标签、印刷电路板、电磁波屏蔽材料等。(2)炭黑聚合物导电油墨。还采用基体树脂和炭黑以化学法结合(又称接枝)而取得炭黑聚合物的导电油墨和涂料,这种方法可改善炭黑的分散性并防止炭黑与粘合剂在球磨机中随混合时间延长电阻值变高。炭黑聚合物不仅可改善对接枝炭黑溶剂的溶解性,而且与其它树脂混合时相溶性好。其主要方法是在炭黑表面上制造活性点,使乙烯基引发聚合成炭黑接枝聚合物。用此制成的导电墨,由于电阻值均匀性好,适于印刷电路。(3)复合导电云母粉导电油墨。目前一般的防静电涂料是通过往高分子材料中添加导电物质而制成,主要采用碳系或金属粉末这两种方法。以碳系为主的防静电涂料具有良好的导电性,已在许多领域广泛应用,尤其是石油、化工方面,但它附着力和耐油性都不太理想,并且颜色难看。以金属粉末为主的防静电涂料,由于金属表面的易氧化性,比重大,且价格昂贵等缺陷。这就使得这两种涂料的使用受到限制。如今,一种新研制出的复合导电云母粉,是一种价廉、质轻的材料,作为基底或芯材,其特点是在云母粉的表面包覆一层或几层化学性能稳定、耐腐蚀性强、导电率高的导电物质(氧化锡中掺杂氧化锑)而得到的复合材料,它具有导电性能好,为永久性的导电物质,化学性能稳定,有良好的耐腐蚀性;颜色可调,具有浅色调的优点,可和其它颜料混合获得各种不同的颜色的防静电涂料;比重小,在高分子材料中更易分散;………SSuMmTm…a…ri…za…ti…on…&……C…om…m…e…n…t…………………使用方便,可广泛应用于电子、计算机CPU制造、综表医药、化工厂、精密仪器等制造及印刷。述面分为溶剂型和无溶剂型(4)新型环氧树脂,溶剂型由环氧树脂防静电涂料导电油墨、。助可与安剂、复合导电颜料、填料、着色颜料、混合溶剂评装组成,以聚酰胺类树脂为固化体系。无溶剂型由环论技氧树脂助剂、复合导电颜料、活性稀释剂、其他颜料、填料组成,以改性多元胺为固化体系。新型环氧树脂防静电涂料的导电性能好且耐久性强,涂料中的导电复合填料是一种价廉、质轻的材料作为基底或卷材(如云母粉),在其表面包覆一层或几层化学性稳定、耐腐蚀性强、电导率高的导电物质而得到的复合材料。导电复合填料色调浅,通过与其他颜料的配用,可以获各种不同颜色的防静电涂料。目前主要应用于电子、通讯、印刷、精密机械、航天等领域。术3导电油墨印刷率低,造成油导电油墨的导电性能受导电材料种类、粒子大小、形状、填充量、分散状态、粘合剂种类以及固化时间等的影响。不同种类的导电材料与粘合剂辅助材料混合均匀后赋予油墨的导电性是不同的。导电粒子的结构、大小不同,其导电性也有差异。例如,银粉的状态可以是球状、片状、枝状、针状、扁平状等。由于片状比球状的接触面要大得多,因此就显示出更好的导电性能。再如,炭黑是由粒子彼此熔融在一起形成的聚集体,当分散于粘合剂中时,因为粘合剂是绝缘的,为了达到这种连续的电子流动,炭黑粒子必须彼此接触或彼此靠得极近。这样就增加了粒子彼此接触或减少彼此间距离的因素,则就提高了导电性。当炭黑填充量一定时,影响炭黑聚集体之间距离的3个因素是粒径、聚集体形状或结构、孔隙度。粒径越小、结构越高,则彼此接触彼此靠得极近的聚集体数目越多,从而赋予较高的导电性。此外炭黑的表面化学性对导电性也有影响。在导电油墨使用中,要注意正确使用和掌握操作技巧。例如,在银系导电油墨印刷中,由于烘干不彻底(如烘干的温度不够、时间不够或干燥方式欠佳);印刷厚度不满足银浆要求的温度,印刷厚度薄,银与银连接不结实,使银系导电油墨的电阻增大;印前油墨搅拌不彻底,由于银的比重大容易沉在底部,造成油墨上层银含量低,增大电阻,下层银含量高,附着力降低等。此外,在碳系与银系导电油墨混合前没有搅拌均匀,造成粉含量高,从而影响了与片材的结合力;混合后未彻底搅匀或不是同一种树脂做连接料的银、碳油墨;印刷后干燥不充分等,就会引起碳浆与银浆混合后附着力不牢的现象。因此,在使用银系、碳系导电油墨时,应注意印前充分搅拌,使整桶油墨的上、下层完全满足设计的配比要求,同时银、碳系油墨具有高粘性和一定的触变性,充分搅拌后可提高网印的印刷适性。对于每次印刷后剩余的油墨应盛放在干净的容器中封闭好,以便下次再用。必要时适当在其中加一点新油墨再印刷。油墨要在密封,低温干燥下储存,使用前提前4h从低温中取出,让其恢复到室温,还要充分搅拌后才可印刷。要尽量避免添加溶剂,若需要时需严格测量避免多加。导电油墨印刷中的干燥固化对印刷质量的影响很大。因为导电油墨在流动状态时,几乎没有电流通过,随着涂层干燥,硬化的进行才变得具有导电性。例如单组分丙烯酸树脂或者乙烯类树脂组成的常温固化涂料,干燥时间与体积电阻的关系随着硬化进行,电阻值减小,因为随着交联固化,分散粒子的接触几率增加。同样,热固化导电油墨也是随着树脂固化,导电材料的链状连结变得越来越强,从而电阻值也下降。例如,导电银浆中的各种溶剂与助剂的存在,都对电阻率有一定的影响,要使它们从导电电路中释放出来,主要依靠热风干燥使其挥发。干燥温度一般控制在85℃~90℃为宜,在热风下恒温40min。实践证明,干燥不彻底的导电图形往往要比干燥彻底的图形阻值高数十倍以上,因此,干燥质量也是薄膜开关质量的一个主要方面。此外,对于丝网、刮刀、印刷机、印墨、基板等都有很高的技术和材料设备的要求。目前,导电油墨丝网印刷主要应用于电子、微电子工业上的薄膜开关、全动式薄膜键盘、接触式传感面板、精细印刷、多层电路以及装潢艺术面板等制作上。对于不同的承印物,对印刷材料的选用和技术要求等均有差异。例如,(1)对于多种印制电路板用导电墨进行丝网印刷以获得的印刷线路,有的可以焊接,有的不能焊接,对不能焊接的印刷线路,可采用导电胶直接粘接,双层极可用通孔印刷导电墨连接,这种印制电路板便于高集成化。即便是单层板,也可采用跨线方法实现多层化。层与层之间的通孔用网印方法将导电油墨印入孔穴内以便连接各层线路。线路上的电阻同样可用碳墨印刷出来,在电阻表面甚至还能安装片状元件。在印制电路板中要注意丝网目数的选择和网印的厚度问题,选择合适的刮板,并在印刷时注意选择最低网印压力,刮板安装时上面裸露的橡胶部分要尽量少,注意印刷平台、刮板压力和速度的调节。此外,印刷中要非常注意静电的影响,一般可选择金属丝网和保证无尘室操作,以避免静电带来的危害。(2)在薄膜开关和全动式薄膜键盘丝网印刷中,印制银浆触点一般选用70目~100目丝网,不同厂家的银浆其金属银微粒的大小、金属银固体含量及形状不尽相同。在印制导体电路时,应设法让导体银的微粒顺利通过丝网,因此所选用丝网的目数不宜过细。过细的丝网虽然印出的线条挺直,能印制出外观好看的电路图形,但是在显微状态下,它只是一层疏松的结构,金属银微粒的固体含量很少,这是由于它们大部分未能通过丝网,这样的图形不仅电阻较大,同时对电流及寿命均为不利,不能满足实际应用。此外,由于大多银浆属于高温烧结还原型,而薄膜开关电路中所用的银浆,因受基材耐温特性的限制,必须采用低温固化型银浆。由于银浆的黏度比普通油墨粘稠,并且还含有金属固体成分,因此,刮印时应注意重回轻刮。全动式薄膜将薄膜键盘是开关与键顶机构组合起来而成为可高速输入数据的全动式薄膜键盘开关,其印刷与薄膜开关比较相似,故应注意如印刷薄膜开关所要注意的技术问题。(3)在导电油墨精细丝网印刷中,为了保证刷精细图形的印刷质量,印刷必须在净化室内进行,如要印刷线宽0.2mm的细线,一般要求空气洁净度在5000水平以下(即每立方米空气中含0.5µm直径以上粒子数在5000个以内);而印刷线宽0.15mm的细线,则要求空气清净度在1000水平以内。总之,印刷线条越细,对环境洁净度的要求越高。由于精细丝网印刷都是加工诸如集成电路印刷等高质量要求的产品,对丝网的选择也非常重要。目前已采用高技术的丝网——镍箔穿孔网。它不是传统的编织网,而是箔网,即由镍箔钻孔而成,其孔呈六角形,也可用电解成形法制成圆孔形。整个网面平整匀薄,能极大地提高印迹的稳定性和精密性,用于印刷导电油墨、晶片及集成电路等高技术产品。能分辨0.1mm的电路线间隔、定位精度可达0.01mm。在集成电路印刷中,对于丝网、刮刀、印刷机、印墨、基板等都有很高的技术和材料设备的要求。此外,在塑料薄膜上进行丝网印刷产