水性環(huán)保碳系導(dǎo)電油墨的制備及其印刷適性研究

摘要：傳統(tǒng)油性油墨污染大、易燃易爆，大大限制了其廣泛應(yīng)用，隨著工業(yè)發(fā)展和社會進(jìn)步，人們的環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，市場上迫切需要無公害、環(huán)保的涂裝技術(shù)，促進(jìn)了水性油墨技術(shù)的發(fā)展。本文基于水性丙烯酸樹脂粘結(jié)劑，以水性石墨烯漿料為主要導(dǎo)電填充料，導(dǎo)電炭黑為第二導(dǎo)電劑，制備了一種新型水性導(dǎo)電油墨，對水性導(dǎo)電油墨導(dǎo)電性進(jìn)行優(yōu)化，并調(diào)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(wǎng)印刷工藝條件，提高印刷質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：石墨烯、水性油墨、導(dǎo)電油墨、絲網(wǎng)印刷

1 水性導(dǎo)電油墨研究現(xiàn)狀

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

2 水性碳系導(dǎo)電油墨的制備

2.1實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)耗材均為市售產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)儀器及其廠家請見表2.1：

2.2水性碳系導(dǎo)電油墨制備工藝

按配比稱取實(shí)驗(yàn)原材料，在混料瓶中先加入樹脂和溶劑，充分?jǐn)嚢杈鶆?，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(jīng)三輥研磨機(jī)反復(fù)研磨，使得油墨的細(xì)度小于10微米，即得試樣，具體實(shí)驗(yàn)流程如下圖所示：

2.3性能測試

使用涂布器制備水性導(dǎo)電油墨涂層，在80鼓風(fēng)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(wǎng)印刷機(jī)測試水性油墨印刷適性，使用TG/DSC評價(jià)油墨熱穩(wěn)定性及其固含量。

3 水性碳系導(dǎo)電油墨印刷適性研究

3.1導(dǎo)電填充料含量對水性導(dǎo)電油墨電阻率的影響

以水性丙烯酸樹脂為粘結(jié)料，控制炭黑量不變，探討不同石墨烯含量對導(dǎo)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(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dǎo)電碳黑含量增加，水性導(dǎo)電油墨電阻率急劇下降，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10%以后，下降趨勢減緩，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，體積電阻率反而增大，如圖所示。這是由于隨著導(dǎo)電碳黑增加，水性導(dǎo)電油墨粘度增加，形成比較完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電子通過隧道效應(yīng)導(dǎo)電，涂層體積電阻率降低，當(dāng)導(dǎo)電碳黑含量達(dá)到一定值后，體系粘度較大，導(dǎo)電碳黑分散性變差，不能將粒子充分粘接、接觸，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(jié)劑可以充分與填料分散均勻，包覆導(dǎo)電粒子，樹脂作為油墨的基體，包覆導(dǎo)電粒子，固化后，粘結(jié)劑可以使導(dǎo)電粒子相互接觸，形成良好的導(dǎo)電材料與粘結(jié)料網(wǎng)絡(luò)，成膜強(qiáng)度取決于樹脂粘結(jié)料連接與分散[6]。分別控制樹脂含量為5%、15%、25%、35%、50%，發(fā)現(xiàn)隨著樹脂含量的增加，水性導(dǎo)電油墨粘度逐漸增大，導(dǎo)電性降低，附著力提高，但當(dāng)樹脂達(dá)到35%以上時(shí)，其附著力趨于穩(wěn)定，均達(dá)5B，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：

3.3水性導(dǎo)電油墨印刷適性調(diào)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(wǎng)印刷、噴墨、柔性印刷、凹版印刷等不同印刷方式。本實(shí)驗(yàn)中制備的水性導(dǎo)電油墨可用于絲網(wǎng)印刷，如下表2所示，能夠滿足印刷生產(chǎn)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(lǐng)域，如下圖3.3所示：

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究，制備了基于石墨烯、導(dǎo)電炭黑為導(dǎo)電劑的環(huán)保型水性導(dǎo)電油墨，對水性導(dǎo)電油墨導(dǎo)電性進(jìn)行優(yōu)化，并調(diào)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(wǎng)印刷工藝條件，下一步將繼續(xù)研究石墨烯三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的搭建對其導(dǎo)電性能的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]王燦才.王所杰.水松紙抗菌水性油墨研究[J].包裝工程，2007，（3）：7-9，12.

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

[3]費(fèi)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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，（3）：319-321.

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

[5]吳松山.薄膜開關(guān)導(dǎo)電油墨及其應(yīng)用[J].絲網(wǎng)印刷，1996，（2）：18-27.

[6]吳松山.薄膜開關(guān)導(dǎo)電油墨及其應(yīng)用（一）[J].絲網(wǎng)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(huán)保碳系導(dǎo)電油墨的制備及其印刷適性研究）。