CN116386929A - 一种石墨烯复合导电银浆、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯复合导电银浆、制备方法及其应用，包括:超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉和辅助试剂。本发明通过石墨烯粉与微米银粉，以及超细纳米银粉连接石墨烯粉和微米银粉，在柔性电路板上创建多条导电微路，降低柔性电路板的方阻，提高导电性。

Description

一种石墨烯复合导电银浆、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及材料化学技术领域，特别涉及一种石墨烯复合导电银浆、制备方法及其应用。

背景技术

柔性电路板(Flexible Printed Circuit，FPC)是以聚酰亚胺或聚酯等薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性和优异可挠性的印刷电路板。它具有配线密度高、重量轻、厚度薄和弯折性好等特点。传统的柔性电路板制作工艺是使用覆铜板刻蚀法，但这种方法会使用一些有毒、腐蚀性的试剂，造成环境污染和操作人员健康危害，而且工艺复杂、成本高。因此，导电浆料印制柔性电路板成为了一种新的制作方法，它可以直接在基材上印刷导电浆料，形成所需的电路图案，无需刻蚀过程，既节省了材料，又减少了污染。但是，目前常用的导电浆料是银浆，其导电性能较差，不能满足高速、高频信号传输的要求。因此，如何提高导电浆料的导电性能，是当前柔性电路板制作领域面临的一个技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于当前的石墨烯复合导电银浆的导电性能差，针对现有技术的不足，提供一种石墨烯复合导电银浆、制备方法及其应用。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种石墨烯复合导电银浆，包括：

包括超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉和辅助试剂。

其中，所述辅助试剂包括助剂、溶剂和固化剂。

其中，按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，所述树脂为3～5％，所述溶剂为10％～25％，所述固化剂为0.05％～0.1％。

其中，所述树脂包括改性聚酯树脂。

其中，所述固化剂包括多元胺、酸酐、聚酰胺、多元醇和/或封闭型异氰酸酯。

其中，所述溶剂包括高沸点且对所述树脂具有高溶解性的试剂。

其中，按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，所述超细纳米银粉为1％～5％，所述微米银粉为55％～75％，所述石墨烯粉为6％～8％。

一种制备如上所述的石墨烯复合导电银浆的制备方法，其特征在于，包括：

获取原料，所述原料包括超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉、树脂和辅助试剂；

对所述原料进行一次分散，得到粗分散浆体；

对所述粗分散浆体进行二次分散，得到石墨烯复合导电银浆。

一种柔性电路板，所述柔性电路板中的石墨烯复合导电银浆为如上所述的石墨烯复合导电银浆制备得到的柔性电路板。

一种柔性电路板的制备方法，包括：

获取如上所述的石墨烯复合导电银浆；

将所述石墨烯复合导电银浆印刷至预设的基材的表面，并烘干，得到初始电路板；

对初始电路板进行烧结，得到柔性电路板。

有益效果：本发明提供一种石墨烯复合导电银浆，其材料由超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉和辅助试剂组成。石墨烯是一种优良的导电材料，与银粉、石墨烯粉混合后，形成高效的导电粉末。石墨烯复合导电银浆中的各种导电粉体紧密接触，构成导电通路。在烧结过程中，超细纳米银粉能够熔融流动，在微米银粉和石墨烯粉末之间的空隙间进行填充，连接它们，形成导电微细线路，从而提高复合导电浆料的导电性。因此，石墨烯复合导电银浆固化后形成的电路方阻更小，具有优异的导电性。

具体实施方式

本发明提供一种石墨烯复合导电银浆、制备方法及其应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施提供了一种石墨烯复合导电银浆，该石墨烯复合导电银浆包括超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉和辅助试剂。

超细纳米银粉是一种粒度小于0.5微米的金属银粉末。微米银粉是指粒径为微米级的金属银粉末。石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的导电性。辅助试剂是指帮助超细纳米银粉、石墨烯和微米银粉混合、溶解以及后续在基材上固化的材料。

石墨烯和微米银粉都具有良好的导电性，因此两者组成的石墨烯复合导电银浆中，石墨烯和微米银粉能够相互接触，能够形成较为粗放的导电通路。石墨烯复合导电银浆中包含的超细纳米银粉由于粒径小，在固化烧结过程中，超细纳米银粉能够熔融并流动至微米银粉和石墨烯粉末之间的空隙，进一步连接微米银粉和石墨烯粉末，形成导电微细线路，从而进一步增加石墨烯复合导电银浆的导电性。微米银粉和超细纳米银粉有多种形状，相对于圆形，片状、长条形在同样的重量基础上，基于其形状能够更好地连接微米银粉和石墨烯粉末，因此，本实施例中微米银粉优先选择微米片状银粉，超细纳米银粉优先选择超细纳米片状银粉。

按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，超细纳米银粉为1％～5％，微米银粉为55％～75％，石墨烯粉为6％～8％，石墨烯复合导电银浆的效果较佳。

在辅助试剂的选择上，本实施例提供的辅助试剂包括树脂、固化剂和溶剂。

树脂可以为石墨烯复合导电银浆提供粘合性和稳定性，防止银粉分散或氧化，同时也可以调节浆料的流动性和固化性。树脂可采用环氧树脂、聚酰胺树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂和/或有机硅树脂。其中，经过测试，当树脂为改性聚酯树脂时，该石墨烯复合导电银浆的附着性能、导电性能等指标最佳。按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，树脂的占比为3～5％效果较佳。

固化剂能够帮助石墨烯复合导电银浆凝固，它通过丝网印刷或其他喷涂技术将其承印在基材表面，干燥成膜后形成电极。固化剂包括多元胺、酸酐、聚酰胺、多元醇和/或封闭型异氰酸酯。经测试，当固化剂为封闭型异氰酸酯时。石墨烯复合导电银浆的附着性能以及导电性能最好。按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，固化剂的占比为0.05％～0.1％效果较佳。

石墨烯复合导电银浆中的溶剂可以选择极性和非极性溶剂，如脂肪族或芳烃类，脂类(如乙酸丁脂)，酮类(如甲乙酮,甲基异丁基酮)，醇类(如乙醇)等。基于本实施例中石墨烯、超细纳米银粉、微米银粉、树脂以及固化剂的选择，当溶剂为高沸点且对所述树脂具有高溶解性的试剂时，能够更好地溶解各个材料。例如当树脂为改性聚酯树脂时，溶剂选用二价酸酯(DBE)、乙酸丁酯等，他们具有较高沸点(沸点为120～160℃)且，对改性聚酯树脂具有高溶解性，对于树脂等粉体具有较好的分散性。本实施例中的高沸点是指大于其他可用作溶剂的试剂的平均沸点，高溶解性是指大于其他可用作溶剂的试剂的平均溶解性。按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，溶剂的占比为10％～25％较佳。

此外，辅助试剂还可包括抗沉降剂、分散剂等帮助各个成分在溶剂中减少沉降、提高分散均匀性或其他性能要求的试剂。具体可根据需要的导电银浆的性能进行调整。

溶剂用于将多种材料进行溶解，提高彼此充分接触。固化剂能够连接树脂形成热固性网状结果，而树脂固化后，由于树脂分子件彼此紧缩，因此使得微米银粉、超细纳米银粉以及石墨烯之间的接触更为紧密且稳定。因此本实施例的辅助试剂能够进一步加强石墨烯复合导电银浆的导电性。

在第二个实施例中，本发明提供一种制备上述石墨烯复合导电银浆的方法，包括以下步骤：

S10、获取原料。

具体的，根据所需要的原料的重量，获取上述石墨烯复合导电银浆的原料，包括超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉、树脂和辅助试剂。

S20、对原料进行一次分散，得到粗分散浆体。

具体的，将原料进行第一次分散，第一次分散主要是为了快速地将原料地粉末相互接触，形成粗分散的浆体。例如采用搅拌机以20～40转/分钟的速度搅拌20～60分钟。搅拌机可选用双行星搅拌机。

此时石墨烯等彼此之间已经存在接触，但是接触不均匀且分散性较差。

S30、对粗分散浆体进行二次分散，得到石墨烯复合导电银浆。

具体的，为了使得原料之间充分接触，对粗分散浆体进行二次分散，以使得原料更为分散且均匀。在进行二次分散时，为了取得更好地研分散效果，采用研磨机进行研磨，而非搅拌。在研磨过程中，多次研磨，且第N+1次研磨时的研磨间距(即辊隙间距)相较于第N次研磨时的研磨间距更小，其中，N为正整数。可预先设定研磨间的研磨间距的变化幅度，按照变化幅度，调整每一次研磨的研磨间距，或者预先设定每一次研磨对应的研磨间距，在每次研磨结束后，根据预设的研磨间距调整。最后一次研磨时的研磨间距可至1微米。例如采用三辊研磨机进行研磨，研磨原料3～5次。

随着研磨间距的缩小，研磨的分散效果越好，充分提高了石墨烯复合导电银浆的均匀性，超细纳米银粉与石墨烯和微米银粉的接触更为充分，也使得后续固化时树脂织成的网络更为细密，电路更为密集且高效。

在第三个实施例中，本发明提供一种柔性电路板及其制备方法，制备方法的步骤如下：

S10、获取石墨烯复合导电银浆。

具体的，首先获取制备好的石墨烯复合导电银浆。石墨烯复合导电银浆的制备方法在上一个实施例中已详细描述，故在此不再赘述。

下表为本实施例设置的多组石墨烯复合导电银浆石墨烯复合导电银浆(实验组1～3)以及不包含石墨烯粉的导电银浆(对照组1和2)的成分配比表。

S20、将所述石墨烯复合导电银浆印刷至预设的基材的表面，并烘干，得到初始电路板。

具体的，基材为承载石墨烯复合导电银浆的载体，例如聚酰亚胺(PI)、聚酯、液晶聚合物(LCP)等绝缘薄膜材料。

石墨烯复合导电银浆印可采用丝网印刷、移印印刷、喷墨印刷等方式印刷在基材表面。丝网印刷，是一种常用的印刷方式，利用丝网网版上的网孔将石墨烯复合导电银浆转移到承印物上，形成指定的图案和形状。移印印刷利用硅胶模具将石墨烯复合导电银浆从平面转移到曲面上，适用于复杂的壳体和天线的制作。喷墨印刷是利用喷头将石墨烯复合导电银浆以微滴的形式喷射到承印物上，可以实现高精度和高灵活性的图案设计。

以丝网网版为例，可采用网板丝将石墨烯复合导电银浆印刷至基材表面。后续验证实验中，网板丝的目数为420目。

S30、对初始电路板进行烧结，得到柔性电路板。

具体的，烧结是指基材和石墨烯复合导电银浆通过高温高压的方法粘合在一起，形成具有导电通路和电气元件的印刷电路板。

由于本实施例中，原料包括超细纳米银粉，超细纳米银粉表面存在包覆剂，因此对初始电路板的烧结包含两个步骤，首先对初始电路板进行烘干，得到中间电路板。本实施例采用的烘干温度优选为120～125℃，烘干时间为30分钟，对于不同体积的初始电路板可调整烘干温度和烘干时间，以去除超细纳米银粉表面的包覆剂。

然后采用常规的烧结温度和条件，对中间电路板烧结，得到印刷电路板。本实施例采用的烧结温度为150℃，烧结时间为15～30分钟。

下表为上述实验组和对照组制备的柔性电路板对应的方阻。

通过上表可发现，相较于不包含石墨烯的对照组，包含石墨烯的石墨烯复合导电银浆具有更小的方阻，导电性能更优，适合柔性电路板。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，包括超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉和辅助试剂。

2.根据权利要求1所述一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，所述辅助试剂包括助剂、溶剂和固化剂。

3.根据权利要求2所述一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，所述树脂为3～5％，所述溶剂为10％～25％，所述固化剂为0.05％～0.1％。

4.根据权利要求2所述一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，所述树脂包括改性聚酯树脂。

5.根据权利要求2所述一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，所述固化剂包括多元胺、酸酐、聚酰胺、多元醇和/或封闭型异氰酸酯。

6.根据权利要求2所述一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，所述溶剂包括高沸点且对所述树脂具有高溶解性的试剂。

7.根据权利要求1所述一种石墨烯复合导电银浆，其特征在于，按照占总石墨烯复合导电银浆的质量百分比计，所述超细纳米银粉为1％～5％，所述微米银粉为55％～75％，所述石墨烯粉为6％～8％。

8.一种制备如权利要求1～7中任意一项石墨烯复合导电银浆的制备方法，其特征在于，包括：

获取原料，所述原料包括超细纳米银粉、微米银粉、石墨烯粉、树脂和辅助试剂；

对所述原料进行一次分散，得到粗分散浆体；

对所述粗分散浆体进行二次分散，得到石墨烯复合导电银浆。

9.一种柔性电路板，其特征在于，所述柔性电路板中的石墨烯复合导电银浆为如权利要求1～7中任意一项所述的石墨烯复合导电银浆制备得到的柔性电路板。

10.一种柔性电路板的制备方法，其特征在于，包括：

获取如权利要求1～7中任意一项所述的石墨烯复合导电银浆；

将所述石墨烯复合导电银浆印刷至预设的基材的表面，并烘干，得到初始电路板；

对初始电路板进行烧结，得到柔性电路板。