丝网印刷用碳系导电油墨及电热膜的制备与性能研究

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电热膜能方便、可控地将电能转化为热能,并且具有可施工面积大、质量轻、厚度薄、韧性好等优点,可广泛应用于许多领域,如车窗除霜、室外显示器、热疗、医用电热等,还可以用于服装、电热地板、电热墙等成为抗寒保暖的新材料。导电油墨通过丝网印刷的方法制备电热膜是一种低成本、可规模生产的较理想的方法。目前采用的碳系导电填料主要是炭黑和石墨烯,前者由于分散性差导致印刷性、流变性、导电性及电热性不佳,后者价格昂贵,且单独使用在导电性上并不具备优势。本文旨在研究一种具有良好电热性能、导电性能、流变性能及印刷适用性的低成本油墨,并通过丝网印刷的方法制备电热膜,包含以下工作:(1)研究低成本、高导电性、良好分散性的碳系复合填料。以粒状超细碳粉、片状石墨等碳系材料作为导电填料,利用它们不同的微观结构相互混合。系统研究超细碳粉/片状碳系填料油墨制得的电热膜的微观结构、导电性及电热性能。结果表明,超细碳粉作为导电填料可以制得均匀、细腻、印刷性能良好的导电油墨,克服了导电炭黑作为填料的固有弊端。SEM显示,粒状超细碳粉与片状石墨均匀分布在树脂基体中,相互之间穿插搭桥,构建出高密度的导电通路,从而经济有效地提升电热膜的导电性和电热性能;石墨粉、石墨纳米片和石墨烯都可以作为复合填料中的片状导电组份,以石墨烯效果为最好;石墨纳米片也有优良的效果,与石墨烯相比,具有巨大的成本优势,而且不会影响电热膜的表面形貌,应作为首选片状导电填料;超细碳粉/石墨烯/石墨纳米片三元导电填料油墨,石墨纳米片的加入在降低成本的同时,也可改善超细碳粉/石墨烯电热膜表面的裂痕现象,在30MHz-1500MHz的电磁屏蔽效能增大到19-20d B左右,衰减前后场强的比率SE%也可达到97%以上。(2)研究导电油墨配方。以二乙二醇单丁醚作为高沸点溶剂、双酚F环氧树脂作为导电油墨的树脂粘结剂、热塑性酚醛树脂为固化剂和流变改性剂,用球磨的方法一步制备出碳系导电油墨。对树脂体系及固化性能、油墨的流变性、细度、流平性、印刷性等进行系统的探讨。结果表明,双酚F环氧树脂为树脂粘结剂,热塑性酚醛树脂是此体系的理想固化剂,其固化温度在100-150℃范围,既有利于油墨的储存,又能满足各种常用基材及施工要求。同时,热塑性酚醛树脂很好地改善了油墨的流变性,使导电油墨具有更大的初始粘度、更好的剪切变稀性能和粘度恢复,极好地满足了丝网印刷的要求;树脂含量对电热膜的微观结构、电热性及导电性等有重要影响,树脂含量不足会导致电热膜表面产生裂纹及导电填料包覆不佳,从而降低膜的导电性及电热性能,但树脂含量过大时,导电网络密度下降,电热膜性能同样不佳。导电油墨最佳配方为:二乙二醇单丁醚作为有机溶剂;超细碳粉/石墨纳米片作为导电填料,固含量为25wt%,其中超细碳粉和石墨纳米片含量分别为19wt%和6wt%;树脂含量为30wt%,环氧树脂和热塑性酚醛树脂混合,含量分别为15wt%和15wt%;有机硅流平剂含量为1wt%,有机硅消泡剂为0.5wt%,另外分别加入2wt%的分散剂、1wt%的增塑剂和1wt%的抗氧剂。在此条件下制备的导电油墨和电热膜主要性能为:导电油墨具有650Pa·s的初始粘度,剪切变稀性能优异,印刷适用性好,电热膜在30V电压下可具有134℃的稳态温度。(3)研究电热膜的柔韧性、附着力、耐水性等使用性能,并以100kg投料量进行中试,研究产品的电热性能、性能稳定性等。中试油墨具有630Pa·s以上的初始粘度,储存6个月以上各项性能保持稳定,电热膜在30V电压下可达到137.5℃的稳态温度,连续通断电10次的电热分析显示,电热膜的稳态温度和通电响应时间未发生明显变化,具有良好的循环使用性能。中试产品具有较显著的性能优势和成本优势,市场前景广阔。
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