水性环保碳系导电油墨的制备及其印刷适性研究

摘要：传统油性油墨污染大、易燃易爆，大大限制了其广泛应用，随着工业发展和社会进步，人们的环保意识逐渐增强，市场上迫切需要无公害、环保的涂装技术，促进了水性油墨技术的发展。本文基于水性丙烯酸树脂粘结剂，以水性石墨烯浆料为主要导电填充料，导电炭黑为第二导电剂，制备了一种新型水性导电油墨，对水性导电油墨导电性进行优化，并调整水性油墨的印刷适性，如油墨的黏度、流动性、干燥性及油墨附着力等，以满足丝网印刷工艺条件，提高印刷质量。

关键词：石墨烯、水性油墨、导电油墨、丝网印刷

1 水性导电油墨研究现状

随着工业的迅速发展，传统颜料油墨已不能完全满足应用需求，一些功能性油墨逐渐出现，尤其导电油墨应用领域广泛，如导电、防静电、电磁屏蔽、柔性传感器及智能智造等领域[1，2]。水性导电油墨是将金属粉末、碳黑、石墨、石墨烯、金属氧化物等导电填充料，如图1.1所示，均匀地分散于有机或无机成膜基料中形成的复合体。导电油墨在干燥固化之前，在树脂基料和溶剂中的导电填料处于独立状态，不互相接触，油墨处于绝缘状态[3]。在成膜时，随着溶剂挥发和树脂收缩，墨层不断干燥并接触，形成导电网络，从而使涂层导电。

2 水性碳系导电油墨的制备

2.1实验仪器与材料

实验材料：水性丙烯酸树脂（30%），佛山市红树水性印涂材料有限公司;无水乙醇（95%），烟台三和化学试剂有限公司;磷酸三丁酯，无锡市东湖化工厂;水性分散剂，润安科技公司;碳黑，天津亿博润材料有限公司;其余实验耗材均为市售产品。

实验仪器及其厂家请见表2.1：

2.2水性碳系导电油墨制备工艺

按配比称取实验原材料，在混料瓶中先加入树脂和溶剂，充分搅拌均匀，然后加入碳黑、石墨烯，充分研磨搅拌至无干燥的固体粉末为止，经三辊研磨机反复研磨，使得油墨的细度小于10微米，即得试样，具体实验流程如下图所示：

2.3性能测试

使用涂布器制备水性导电油墨涂层，在80鼓风式干燥箱中烘干，使用四探针电阻率测试仪测试体积电阻率，使用丝网印刷机测试水性油墨印刷适性，使用TG/DSC评价油墨热稳定性及其固含量。

3 水性碳系导电油墨印刷适性研究

3.1导电填充料含量对水性导电油墨电阻率的影响

以水性丙烯酸树脂为粘结料，控制炭黑量不变，探讨不同石墨烯含量对导电油墨电阻率的影响，石墨烯含量由0.5%～2.0%变化，随着石墨烯含量的增加，样品体积电阻率减小，当石墨烯质量分数大于1%后，体积电阻率下降趋势减缓。

控制石墨烯的含量，随着导电碳黑含量增加，水性导电油墨电阻率急剧下降，当质量分数达10%以后，下降趋势减缓，当质量分数大于20%时，体积电阻率反而增大，如图所示。这是由于随着导电碳黑增加，水性导电油墨粘度增加，形成比较完整的导电网络，电子通过隧道效应导电，涂層体积电阻率降低，当导电碳黑含量达到一定值后，体系粘度较大，导电碳黑分散性变差，不能将粒子充分粘接、接触，导电网络形成较差，体积电阻率较大。

3.2树脂含量对油墨附着力的影响

树脂作为粘结剂可以充分与填料分散均匀，包覆导电粒子，树脂作为油墨的基体，包覆导电粒子，固化后，粘结剂可以使导电粒子相互接触，形成良好的导电材料与粘结料网络，成膜强度取决于树脂粘结料连接与分散[6]。分别控制树脂含量为5%、15%、25%、35%、50%，发现随着树脂含量的增加，水性导电油墨粘度逐渐增大，导电性降低，附着力提高，但当树脂达到35%以上时，其附着力趋于稳定，均达5B，实验数据如下表所示：

3.3水性导电油墨印刷适性调整

印刷适性是油墨最基本性能要求，使油墨可以满足不同印刷方式，如丝网印刷、喷墨、柔性印刷、凹版印刷等不同印刷方式。本实验中制备的水性导电油墨可用于丝网印刷，如下表2所示，能够满足印刷生产要求，可用于柔性电子电路的印制，有望用于智能穿戴传感领域，如下图3.3所示：

4 结论

本文通过实验研究，制备了基于石墨烯、导电炭黑为导电剂的环保型水性导电油墨，对水性导电油墨导电性进行优化，并调整水性油墨的印刷适性，如油墨的黏度、流动性、干燥性及油墨附着力等，以满足丝网印刷工艺条件，下一步将继续研究石墨烯三维导电网络的搭建对其导电性能的影响。

参考文献

[1]王灿才.王所杰.水松纸抗菌水性油墨研究[J].包装工程，2007，（3）：7-9，12.

[2]高晓敏.刘际伟.刘永华.分散助剂对丙烯酸基电磁屏蔽导电涂料性能的影响[J].材料科学与工程，2002，（3）：410-413.

[3]费华.张莉莎.周赛春.丙烯酸类树脂为基料的水性油墨的研究[J].华中师范大学学报（自然科学版），2001，（3）：319-321.

[4]楚高利.王琪.导电油墨印刷适性的探讨[J].河南纺织高等专科学校学报，2000，（1）：28-31，41.

[5]吴松山.薄膜开关导电油墨及其应用[J].丝网印刷，1996，（2）：18-27.

[6]吴松山.薄膜开关导电油墨及其应用（一）[J].丝网印刷，1996，（1）：30-36.

作者简介：李叶红，女，汉族，广东中山，1975年12月，本科，工程师，，研究方向（轻工包装印刷），写作方向：（水性环保碳系导电油墨的制备及其印刷适性研究）。