銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水的配方設(shè)計(jì)

范曉華 金文君 楊操 黃靈閣

噴墨打印技術(shù)是一種非接觸式打印技術(shù)，其原理是墨滴通過(guò)噴頭小孔直接噴射到打印介質(zhì)表面的特定位置，以此形成圖像。噴墨打印技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、打印精度高、打印速度快的特點(diǎn)。噴墨導(dǎo)電墨水是噴墨打印技術(shù)的重要元素之一，按導(dǎo)電材料的性質(zhì)，其可分為無(wú)機(jī)噴墨導(dǎo)電墨水和有機(jī)噴墨導(dǎo)電墨水兩類(lèi)。無(wú)機(jī)噴墨導(dǎo)電墨水主要以金屬、金屬氧化物和碳作為導(dǎo)電材料，其中又以納米銀導(dǎo)電墨水的研究和使用最為廣泛。

銅的導(dǎo)電性與銀相當(dāng)，價(jià)格卻比銀低得多，具有廣闊的發(fā)展前景。為了降低導(dǎo)電墨水的成本，以納米銅為介質(zhì)的噴墨導(dǎo)電墨水在過(guò)去幾年得到了快速發(fā)展。但以納米銅為介質(zhì)的噴墨導(dǎo)電墨水在空氣中易被氧化，使用時(shí)易團(tuán)聚。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者提出無(wú)顆粒型導(dǎo)電墨水，并嘗試將其應(yīng)用于噴墨打印中。

本文將關(guān)注銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水的配方，通過(guò)改變墨水配方中溶劑的類(lèi)型，調(diào)整還原劑的配比，得到銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水的最佳配方，為實(shí)際生產(chǎn)提供有益參考。

實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：無(wú)水硫酸銅、氨水、甲酸、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙二醇、蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)儀器：電子天平、磁力攪拌器、數(shù)顯黏度計(jì)、全自動(dòng)表/界面張力儀、pH計(jì)箱式電阻爐控制箱、數(shù)字式四探針測(cè)試儀。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配方設(shè)計(jì)

本文選擇無(wú)水硫酸銅作為銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水的銅源，分別使用蒸餾水和乙二醇作為水溶劑和醇溶劑，甲酸作為還原劑，PVP作為保護(hù)劑。在配方中其他物質(zhì)用量不變的情況下，調(diào)整甲酸的配比，針對(duì)兩種不同的溶劑類(lèi)型，各設(shè)計(jì)5組銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水樣品配方，如表1所示。

（2）樣品制備及檢測(cè)

①制備銅氨絡(luò)合物溶液。向10mL濃度為1mol/L的硫酸銅溶液中滴加氨水，有淺藍(lán)色的堿式硫酸銅沉淀生成，繼續(xù)滴加氨水至沉淀恰好完全溶解，此時(shí)即得深藍(lán)色的含有銅氨絡(luò)離子的溶液；②按照樣品配方稱(chēng)取一定量的甲酸和0.5gPVP，加入到5mL蒸餾水或乙二醇溶劑中，攪拌使其充分溶解；③將上述深藍(lán)色溶液逐滴滴加到含有甲酸和PVP的混合溶液中充分?jǐn)嚢?，即可得到含有銅離子的無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水樣品。

對(duì)制備好的銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水樣品進(jìn)行黏度、表面張力、pH值的測(cè)試，以確定最優(yōu)配方。

（3）導(dǎo)電涂層的制備

將制得的銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水樣品均勻涂覆到玻璃基材上，放到150℃的恒溫電阻爐中燒結(jié)30分鐘即可得到導(dǎo)電涂層，然后測(cè)試導(dǎo)電圖層的導(dǎo)電性。

結(jié)果及分析

1.涂層導(dǎo)電性測(cè)試

涂層的導(dǎo)電性可由方阻來(lái)表征，方阻越小，涂層越致密，導(dǎo)電性越好。測(cè)試帶有導(dǎo)電涂層的玻璃基材的方阻，結(jié)果如表2所示。由表2可知，醇溶劑導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電性比水溶劑的要好。醇溶劑導(dǎo)電涂層的配方中，3號(hào)樣品的方阻最小，1號(hào)樣品的方阻最大，這可能是由于甲酸含量較少時(shí)，噴墨導(dǎo)電墨水中的部分銅在燒結(jié)過(guò)程中無(wú)法被還原，反而被氧化形成銅的氧化物，導(dǎo)致涂層導(dǎo)電性降低，因此方阻較大；隨著甲酸含量的增加，銅的氧化物被完全還原成銅單質(zhì)，涂層的導(dǎo)電性增強(qiáng)，方阻降低；甲酸含量繼續(xù)增加，多余的甲酸會(huì)分解產(chǎn)生CO2、H2O等分子，破壞了涂層的連續(xù)性，使涂層導(dǎo)電性降低，方阻升高。

2.黏度測(cè)試

噴墨導(dǎo)電墨水一般要求黏度較低，以保證其具有較好的流動(dòng)性。各銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水樣品黏度見(jiàn)表3。從中可知，在甲酸用量相同的情況下，由于乙二醇的黏度比水的大，導(dǎo)致醇溶劑樣品的黏度比水溶劑樣品的黏度大；而隨著甲酸含量的增加，樣品黏度先增大后減小。根據(jù)QB/T 2730.1-2013《噴墨打印機(jī)用墨水》可知，噴墨打印機(jī)墨水的黏度指標(biāo)為1.0～15.0mPa？s。由此可知，所有樣品的黏度技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)定。

3.表面張力測(cè)試

樣品的表面張力如表4所示。由表4可知，水溶劑樣品的表面張力比醇溶劑樣品的表面張力大，這是因?yàn)樗谋砻鎻埩Ρ却嫉谋砻鎻埩Υ螅患姿岬挠昧繉?duì)樣品的表面張力幾乎沒(méi)有影響。根據(jù)QB/T 2730.1-2013可知，墨水的表面張力技術(shù)指標(biāo)為25～60mN/m。由此可知，所有樣品的表面張力技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)定。

4.pH值測(cè)試

樣品靜置后部分產(chǎn)生了沉淀，沉淀情況和pH值如表5所示。由表5可知，隨著甲酸含量的增加，樣品中OH-離子的相對(duì)含量逐漸減少，H+離子的相對(duì)含量逐漸增加，樣品的pH值不斷降低。當(dāng)樣品的pH值大于8時(shí)，銅以銅氨絡(luò)離子[Cu（NH3）4]2+的形式存在，無(wú)沉淀產(chǎn)生；當(dāng)pH值為7～8時(shí)，樣品中OH-離子的相對(duì)含量減少，堿式硫酸銅沉淀隨之產(chǎn)生；當(dāng)pH值小于7時(shí)，樣品呈酸性，沉淀也隨著H+離子相對(duì)含量的增加而消失。樣品中沉淀的產(chǎn)生會(huì)降低銅離子的含量，因此要避免沉淀的存在。而且，一般為防止噴墨墨水腐蝕噴墨打印機(jī)噴頭，要求噴墨墨水pH值呈中性。所以，4號(hào)和5號(hào)樣品滿(mǎn)足要求。

綜上所述，可得出以下結(jié)論，結(jié)合樣品涂層的導(dǎo)電性、黏度、表面張力、pH值綜合考慮，當(dāng)配方中無(wú)水硫酸銅與甲酸的摩爾比為1∶4、溶劑為乙二醇時(shí)噴墨導(dǎo)電墨水的綜合性能最好，該配方可作為銅基無(wú)顆粒型噴墨導(dǎo)電墨水的基本配方。