纳米Cu@Ag的制备及其水性导电墨水的性能研究

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随着电子产品不断向高精密度、高柔性化、数字化、多样化的方向发展,纸基和塑料基(PET、PP、PE)电子产品的研发已经成为当务之急。然而,这些基材使用温度在150℃以下,传统的微米和亚微米级别的导电填料已经满足不了现在印刷电子的需求。而纳米银导电油墨的高成本限制其在工业上的大量生产,纳米铜导电油墨的不稳定性及其防氧化措施工艺的复杂性限制了它的应用。因此,低温烧结、低成本的导电油墨的研制至关重要。作为导电填料,纳米Cu@Ag的制备不仅能解决纳米铜氧化性问题,还可降低纳米银作为导电填料的成本。并且纳米Cu@Ag粒子的表面的银层可在低温烧结发生银迁移现象,进一步降低导电油墨形成导电通路的烧结温度。纳米Cu@Ag导电油墨的研制有望解决当前导电油墨成本高、烧结温度高的技术难题,成为研究的热点。首先,以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为分散剂、硼氢化钠(NaBH4)为还原剂、柠檬酸三钠(Na3C6H5O7)为络合剂、硫酸铜(CuSO4)为前驱体、在碱性水溶液、氮气氛围下通过液相化学还原法制备纳米铜胶体。并研究硼氢化钠浓度、氢氧化钠浓度和络合剂浓度对纳米铜物相的影响。通过XRD、TEM、HRTEM、UV-Vis表征样品的性能,结果发现当CuSO4的浓度为0.1mol/L、NaBH4的浓度为0.1mol/L、NaOH的浓度为0.4mol/L、Na3C6H5O7的浓度为0.2mol/L、反应温度为30℃时,能在氮气环境制备出分散性较好、粒径分布在3~20nm的纳米铜单质。然后,以制备的纳米铜胶体为原料,通过铜基自催化镀银,也即是通过金属置换反应制备纳米Cu@Ag粒子。先用稀硫酸中和制备好的纳米铜胶体中剩余的硼氢化钠,待反应完全后,再用氢氧化钠溶液调节反应体系的pH,最后滴加硝酸银溶液制备Cu@Ag纳米粒子。研究了不同pH、不同镀银温度和不同铜银摩尔比对Cu@Ag纳米粒子包覆层致密性的影响,也研究了不同反应温度和不同分散剂浓度对Cu@Ag纳米粒子分散性的影响。通过XRD、SEM、TEM、HRTEM、UV-Vis、DSC-TGA、EDS表征样品的性能,结果发现当pH等于7、分散剂CTAB的浓度为0.1mol/L、反应温度为35℃时,能在氮气环境制备出分散性好、具有致密包覆层的纳米Cu@Ag粒子,该纳米粒子的粒径在3~50nm,抗氧化温度达到265℃,在空气环境保存三个月内不发生氧化反应。最后,以纳米Cu@Ag粒子为导电填料,水性丙烯酸树脂(AC-3137)为粘结剂,乙二醇为流平剂,丙三醇为保湿剂,去离子水为溶剂制备导电墨水,研究不同分散剂(阴离子型分散剂CT-5010、阳离子型分散剂XH-9015Z、阳离子型分散剂BYK-348)对导电墨水稳定性的影响,并研究了不同烧结温度、不同含量导电填料对导电墨水导电性的影响。结果发现分散剂BYK-348制备的导电墨水分散性最好,当导电墨水固含量为20wt%,自制导电笔在相纸直写的导电图案在150℃氮气环境烧结,并通过四探针电阻率测试仪测试该导电图案的电阻率,结果发现该导电图案的电阻率低至18.67μΩ·cm。
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