水性石墨烯导电油墨的制备及其丝网印刷适性研究

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水性导电油墨是一种既具有水性油墨特性又具有导电性能的新型功能性油墨。在水性油墨配方中,添加具有导电性能的材料作为填料,从而使其具有一定导电性的功能性油墨,广泛应用于薄膜开关、加热元件、太阳能电池、集成电路等工业领域。石墨烯是由碳原子sp~2杂化形成类蜂窝状的二维晶体,其每个碳原子都与邻近的3个碳原子相连,形成σ键,这些C-C键赋予石墨烯优异的力学性能;每个碳原子都贡献一个未成键的π电子,它们可以在石墨烯晶面上自由移动,其电子迁移率高达2×10~5cm~2/(V·S),电子的运动速度达到光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度,同时,石墨烯具有稳定的晶格结构,使其具有优异的导电性能。利用石墨烯优异的导电性能,将其作为导电填料应用到水性导电油墨中,制成性能优异的水性石墨烯导电油墨,具有重要的研究意义和应用价值。本论文研究了以水性聚氨酯树脂为连结料,水性石墨烯分散液为溶剂,导电石墨与导电炭黑的混合物作为导电填料的水性导电油墨的制备,并测试和分析了其性能以及丝网印刷工艺印刷适性。本论文第一章综述了石墨烯及其制备方法、表征方法,并介绍了导电油墨的定义及组成、导电油墨的分类、导电机理、导电油墨的印刷工艺以及导电油墨的研究近况,提出了本论文的研究目的和研究内容。本论文第二章主要研究了超声剥离法制备石墨烯粉体,然后在添加一定分散剂的情形下采用高能量密度介质搅拌磨将其制成水性石墨烯分散液,并对石墨烯粉体及其水性分散液进行了测试和表征。实验结果表明,所制备的石墨烯的片层厚度约为3nm,属于层数少于10层的多层石墨烯(MLG);其粉末电阻率为1.13mΩ·cm;所制备的水性石墨烯分散液分散性良好,干膜电阻率为2mΩ·cm,粘度仅有145.3cP,具有非常好的流动性。本论文第三章采用正交实验法研究了颜基比、导电填料填充量、石墨与炭黑的混合比例、分散剂用量对导电油墨的电阻率和附着力诸性能的影响,并确定最佳配比组合方案。实验结果表明,当颜基比为3:1、导电填料填充量为35%、石墨与炭黑的混合比例为3:1、分散剂用量为16%时,导电油墨的性能最佳。本论文第四章采用正交实验法研究了油墨粘度、刮板硬度、刮板角度、网版目数对油墨印刷适性的影响,并确定最佳工艺方案。实验结果表明,当油墨粘度为30Pa·s、刮板硬度为75度、刮板角度为75°、网版目数为120目时,其印刷性能最佳。最后,本论文给出了研究工作所获得的主要结论和今后工作展望。
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