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CN101919005A - 导电组合物 - Google Patents

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Abstract

包含粘合剂和填料颗粒的导电组合物，其中至少一部分颗粒是镀银的。在一个实施方式中，该组合物包含诸如聚氨酯的粘合剂、导电填料颗粒、镀银的填料颗粒和溶剂。

Description

导电组合物
发明领域
本发明涉及含有镀银填料颗粒的导电组合物。
发明背景
银作为导电填料用于许多商业可购得的导电涂层和密封材料中，这是因为其氧化物是导电的，因此银填充的系统在高温固化、老化或银可能被氧化的其它条件期间很少或不会遇到导电率丧失。使用银的缺点是高成本和银在系统中迁移的风险。
完全基于银填料的产品所提供的高水平导电率和低电阻，不是对于所有导电材料应用是必需的。一些应用不需要如此高水平的导电率和低电阻。铜是另一种可以使用的导电材料，这是因为其能够以类似于利用银的方式，即以粉末、树枝状和薄片形式进行加工。铜的主要缺点是其氧化物不导电，以及干燥或固化期间形成的任何表面酮氧化物限制了系统的导电率——即使产生紧密的颗粒间接触。同样地，提供电导率的许多其它材料在导电涂层形成所必需的条件下氧化。
在本领域中对更经济的导电组合物一直存在需求。本发明满足了这种需求。
本发明概述
本发明提供包含粘合剂、填料颗粒、以及任选地溶剂的导电组合物，其中至少一部分填料颗粒是镀银的。由于使用镀银填料，组合物的薄层电阻率低于0.100Ohm/平方/25微米。
另一个实施方式提供使用本发明导电组合物制造的电子装置。
又一个实施方式涉及使用本发明导电组合物制造或形成电子装置的方法。该方法包括例如通过模版印刷、丝网印刷、轮转凹版印刷或柔版印刷将本发明导电组合物分配在基材上，以形成导电道(conductivetracts)或电子电路，然后固化和/或干燥该组合物以获得导电率。可以使用这些导电组合物的示例性电子装置包括计算机和计算机设备，如打印机、传真机、扫描仪、键盘等；家用电器；医学传感器；汽车传感器等；以及个人电子装置，如电话、移动电话、计算器、遥控装置、照相机、CD播放器、DVD播放器、盒式磁带录音机等。
本发明详述
导电涂层或密封材料的粘合剂组分包含热塑系统、热固系统或热固系统和热塑系统的混合物。
粘合剂组分的热塑系统是官能或非官能热塑聚合物。适合的热塑聚合物包括，但不限于，聚氨酯弹性体、聚酯、酚醛树脂、丙烯酸聚合物、丙烯酸嵌段共聚物、具有叔烷基酰胺官能度的丙烯酸聚合物、聚硅氧烷聚合物、聚苯乙烯共聚物、聚乙烯聚合物、二乙烯基苯共聚物、聚醚酰胺、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯丙酮醇(polyvinyl acetols)、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、亚甲基聚乙烯醚、乙酸纤维素、苯乙烯丙烯腈、无定形聚烯烃、热塑性氨基甲酸酯、聚丙烯腈、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、乙烯乙酸乙烯酯三元共聚物、官能性乙烯乙酸乙烯酯、官能性乙烯丙烯酸酯共聚物、乙烯丙烯酸酯三元共聚物、乙烯丁二烯共聚物和/或嵌段共聚物、苯乙烯丁二烯嵌段共聚物及其混合物。可以使用的商业可购得的粘合剂是ESTANE5703P，其是可从Noveon，Ohio，USA获得的聚酯型热塑性聚氨酯；PKHC，其是可从Inchem，South Carolina，USA的苯氧基树脂；以及UCAR VAGH，其是可从Dow Chemical Company商业可购得的聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯和聚氯乙烯的共聚物。
粘合剂组分的热固系统是官能或非官能热固聚合物。适合的热固聚合物包括，但不限于，酚醛塑料、氨基甲酸酯、苯氧基树脂、聚酯、环氧树脂、三聚氰胺及其混合物。可以使用的一种商业可购得的粘合剂是Bakelite Hartz 9132KP，其是从Bakelite商业可购得的酚醛树脂。
总粘合剂含量通常占组合物的约2至约50重量百分比范围以及优选占组合物的约2至约40重量百分比范围。
一种或更多种镀银填料用于组合物中。镀银填料的芯可以是导电的或非导电的。可以使用镀银填料——具有导电芯和具有非导电芯--的组合。示例性的芯包括，但不限于，铜、镍、钯、碳黑、碳纤维、石墨、铝、氧化铟锡、玻璃、聚合物、掺锑二氧化锡、二氧化硅、氧化铝、纤维、粘土及其混合物。
在一个实施方式中，镀银填料颗粒的芯是铜。镀银填料的银含量必须足以提供足够的电导率并且通常占镀银填料的约0.2至约25重量百分比范围。
一种或更多种镀银填料颗粒占组合物的约1至约99重量百分比范围以及优选占组合物的约20至约70重量百分比范围。
任选地，除镀银填料颗粒之外，一种或更多种导电填料材料用于组合物中。示例性的导电填料材料包括，但不限于，银、铜、金、钯、铂、镍、涂金或银的镍、碳黑、碳纤维、石墨、铝、氧化铟锡、涂银的铜、涂银的铝、涂敷金属的玻璃球、涂敷金属的纤维、涂敷金属的聚合物、涂银的纤维、涂银的球、掺锑二氧化锡、导电纳米球、纳米银、纳米铝、纳米铜、纳米镍、碳纳米管及其混合物。导电填料材料可以与组合物中使用的任何镀银填料颗粒的芯相同或不同。所述一种或更多种导电填料材料占组合物的约0至约99重量百分比范围以及优选占组合物的上至约40重量百分比范围。
可以用溶剂调节组合物的粘度。一般优选组合物具有低粘度，以能够对组合物进行有效分配、模版印刷或丝网印刷。在一个实施方式中，组合物具有约50至约150,000mPas范围内的粘度，以及在另一个实施方式中，是在约500至约50,000mPas范围内。对于组合物的轮转凹版印刷或柔版印刷，优选较低的粘度范围，约500至约4,000mPas。对于分配、模版印刷或丝网印刷组合物，优选较高的粘度范围，约3,000至50,000mPas。
可以使用的示例性溶剂单独地是下列或是下列的组合：缩水甘油醚，例如1，4-丁二醇二缩水甘油醚；对叔丁基苯基缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、甘油二缩水甘油醚、丁基二乙二醇、2-(2-丁氧基乙氧基)-乙基酯、丁基乙二醇乙酸酯、乙酸、2-丁氧基乙基酯、丁基乙二醇、2-丁氧基乙醇、异佛儿酮、3，3，5-三甲基-2-环己烯-1-酮、二甲基琥珀酸酯、二甲基戊二酸酯、二甲基己二酸酯、水、乙酸、二丙二醇(单)甲基酯、乙酸丙酯、烷基苯酚的缩水甘油醚(可作为Cardolite NC513从CardoliteCorporation商业购得)——尽管其它溶剂可以使用。
另外的成分，如有机添加剂，可以包含在制剂中，以提供期望的性质。可以包含的各种添加剂是表面活性试剂(surface active agents)、表面活性剂(surfactants)、湿润剂、抗氧化剂、触变剂、加强材料、硅烷官能的全氟醚、磷酸酯官能的全氟醚、硅烷、钛酸酯、蜡、苯酚甲醛、脱泡剂(空气去除剂)、流动助剂、助粘剂、流变改性剂、表面活性剂、间隔珠及其混合物。对用于具体组合物中的树脂的使用，成分被具体选择以获得期望的性质平衡。另外的成分占组合物的上至约20重量百分比以及优选占组合物的上至约10重量百分比。
组合物被组合，然后通过分配、模版印刷、丝网印刷、轮转凹版印刷或柔版印刷施用在基材上，以形成导电道或电子电路，接着进行固化和/或干燥以产生导电率。通常将组合物在120℃下固化和/或干燥约10分钟。可以将组合物在更高的温度下固化和/或干燥更少的时间。一般而言，这些组合物提供小于0.100Ohm/平方/25μm的薄层电阻率。
实施例
通过下列非限制性实施例对本发明进行进一步说明。
通过在搅拌下将粘合剂溶于热溶剂(40℃)中直至形成均匀的混合物来制备比较样品1和样品A-G。将样品冷却至室温，添加填料以及再搅拌混合物30分钟。如需要，使用三辊滚轧机(3-roll mill)(Buhler)来滚轧组合物。
将每种组合物以100×2mm的轨道(track)，约5-8μm的厚度施用在聚酯片上。在120℃下将组合物固化和/或干燥10分钟，之后使用Keithley 2000 Multimeter测量薄层电阻。通过下式计算薄层电阻率(SR)：
SR = R ( tr ) × W ( tr ) × H ( tr ) L ( tr ) × 25 ,
其中
R(tr)＝轨道电阻(Ohm)
W(tr)＝轨道宽度(mm)
H(tr)＝轨道厚度(μm)
L(tr)＝轨道长度(mm)
组合物配方和每种组合物的薄层电阻率报告在表1中：
组合物和薄层电阻率表1。
  配方组分   1(g)   A(g)   B(g)   C(g)   D(g)   E(g)   F(g)   G(g)
  粘合剂-ESTANE 5703P1   5.2   5.2   5.2   5.2   5.4
  粘合剂-UCAR VAGH2   4.0   4.0   4.0   4.0   4.2   6.5
  粘合剂-PKHC3   9.1
  粘合剂-Bakelite Hartz 9132KP4   16.0
  溶剂-二元酯5   40.8   40.8   40.8   40.8   34.3
  溶剂-丁基乙二醇乙酸酯6   27.3
  溶剂-乙酸丙酯7   28.5
  溶剂-Arcosolv DPM8   12.6
  填料-银薄片9   50.0   30.0   35.0   25.0
  填料-镀银的铜ZS-71010   20.0   15.0   25.0
  填料-镀银的铜NZS61011   52.3   63.6   65.0   65.5
  有机添加剂-BYK 35412   0.65
  有机添加剂-Glycerol13   5.81
  薄层电阻率(Ohm/平方/25μm)   0.010   0.032   0.024   0.040   0.050   0.032   0.019   0.084
1可从Noveon，Ohio，USA获得的聚酯型热塑性聚氨酯
2可从Dow Chemical，Belgium获得的氯乙烯乙烯醇乙酸乙烯酯共聚物
3可从Inchem，South Carolina，USA获得的苯氧基树脂
4可从Bakelite，Germany获得的酚醛树脂
5可从Keyser&McKay，Netherland获得的二甲基琥珀酸酯、二甲基己二酸酯和二甲基戊二酸酯的混合物。
6可从Chemproha，Netherland获得的2(2-丁氧基-乙氧基)乙醇
7可从Chemproha，Netherland获得的乙酸正丙酯
8可从Arco，Missouri，USA获得的二丙二醇(单)甲基醚
9可从Ferro，Ohio，USA获得的银薄片
10可从Ames Goldsmith，New York，USA获得的镀银的铜
11可从Ames Goldsmith，New York，USA获得的镀银的铜
12可从BYK，Germany获得的聚丙烯酸酯溶液
13可从Chemproha，Netherland获得的1，2，3丙三醇
含有银薄片填料的比较样品1具有0.010Ohms/平方/25μm的薄层电阻率。含有银薄片和镀银的铜的样品(样品A-C)具有与比较样品1相当的薄层电阻率以及小于0.100Ohm/平方/25微米的可接受的薄层电阻率。仅用镀银的铜而不含有任何银薄片制得的样品(样品D-G)也产生与比较样品1相当的薄层电阻率值，以及小于0.100Ohm/平方/25微米的可接受的薄层电阻率。样品D-G表明，各种粘合剂系统可以用于产生与比较样品1的相当的薄层电阻率值以及小于0.100Ohm/平方/25微米的可接受的薄层电阻率。
对本领域技术人员而言明显的是，可以对本发明进行许多修改和变化而不背离本发明的精神和范围。仅通过实施例来提供本文描述的具体实施方式，本发明仅通过所附权利要求以及这些权利要求有权获得的全部等同范围来限定。

Claims (16)

1.导电组合物，其包含粘合剂和填料颗粒，所述填料颗粒具有镀有银的芯，其中所述组合物具有小于约0.100Ohm/平方/25微米的薄层电阻率。
2.权利要求1所述的导电组合物，其中所述芯选自铜、镍、钯、碳黑、碳纤维、石墨、铝、氧化铟锡、玻璃、聚合物、掺锑二氧化锡、二氧化硅、氧化铝、纤维、粘土及其混合物。
3.权利要求2所述的导电组合物，其中所述芯是铜。
4.权利要求1所述的导电组合物，其中所述粘合剂选自聚氨酯弹性体、聚酯、酚醛树脂、丙烯酸聚合物、丙烯酸嵌段共聚物、具有叔烷基酰胺官能度的丙烯酸聚合物、聚硅氧烷聚合物、聚苯乙烯共聚物、聚乙烯聚合物、二乙烯基苯共聚物、聚醚酰胺、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯丙酮醇、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、亚甲基聚乙烯醚、乙酸纤维素、苯乙烯丙烯腈、无定形聚烯烃、热塑性氨基甲酸酯、聚丙烯腈、乙烯乙酸乙烯酯共聚物、乙烯乙酸乙烯酯三元共聚物、官能性乙烯乙酸乙烯酯、官能行乙烯丙烯酸酯共聚物、乙烯丙烯酸酯三元共聚物、乙烯丁二烯共聚物和/或嵌段共聚物、苯乙烯丁二烯嵌段共聚物及其混合物。
5.权利要求4所述的导电组合物，其中所述粘合剂选自聚氨酯弹性体，聚酯，酚醛树脂，聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯和聚氯乙烯的共聚物，及其混合物。
6.权利要求1所述的导电组合物，其中所述粘合剂选自酚醛塑料、氨基甲酸酯、苯氧基树脂、聚酯、环氧树脂、三聚氰胺及其混合物。
7.权利要求6所述的导电组合物，其中所述粘合剂是酚醛树脂。
8.权利要求1所述的导电组合物，其中所述组合物进一步包含选自下列的导电填料材料：银、铜、金、钯、铂、镍、涂金或银的镍、碳黑、碳纤维、石墨、铝、氧化铟锡、涂银的铜、涂银的铝、涂敷金属的玻璃球、涂敷金属的纤维、涂敷金属的聚合物、涂银的纤维、涂银的球、掺锑二氧化锡、导电纳米球、纳米银、纳米铝、纳米铜、纳米镍、碳纳米管或其混合物。
9.权利要求1所述的导电组合物，其中所述组合物进一步包含表面活性试剂、表面活性剂、湿润剂、抗氧化剂、触变剂、加强材料、硅烷官能的全氟醚、磷酸酯官能的全氟醚、硅烷、钛酸酯、蜡、苯酚甲醛、脱泡剂、流动助剂、助粘剂、流变改性剂、表面活性剂、间隔珠或其混合物。
10.权利要求1所述的导电组合物，其中所述填料颗粒占所述组合物的约20至约70重量百分比范围。
11.权利要求1所述的导电组合物，其中所述粘合剂占所述组合物的约2至约40重量百分比范围。
12.权利要求8所述的导电组合物，其中所述导电填料材料占所述组合物的上至约40重量百分比范围。
13.导电组合物，其包含聚氨酯弹性体、一种或更多种镀银的铜颗粒以及至少一种溶剂。
14.电子装置，其包含权利要求1所述的导电组合物。
15.用权利要求1所述的导电组合物制造或形成电子装置的方法，其包括通过分配、模版印刷、丝网印刷、轮转凹版印刷或柔版印刷将所述导电组合物施用在基材上，以形成导电道或电子电路，以及在约120℃下固化和/或干燥所述导电组合物约10分钟。
16.用权利要求13所述的导电组合物制造或形成电子装置的方法，其包括通过分配、模版印刷、丝网印刷、轮转凹版印刷或柔版印刷将所述导电组合物施用在基材上，以形成导电道或电子电路，以及在约120℃下固化和/或干燥所述组合物约10分钟。
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