水基纳米银导电墨水的制备及在柔性基材上的应用研究

摘要

电子产品逐渐向“轻、巧、薄”的方向发展，印制电子技术（Printed Electronics）对印制电路板（PCB）的制造带来了革命性的影响，因而研究低成本、高产率、简便易得的导电墨水的制备方法及导电性能的提高意义重大。水基纳米银导电墨水不仅可以发挥纳米银优异的导电性能，同时可以顺应绿色环保、可持续发展的政策趋势，其在纺织品、薄膜等柔性基材的应用研究，将有利于可穿戴电子产品的发展，为智能纺织品的发展开辟道路。
　　本文以Carey-Lea法为基础，用七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)为还原剂，柠檬酸钠（Na3C6H5O7·2H2O）为分散剂，还原硝酸银（AgNO3）溶液制得纳米银颗粒。反应结束后，使用硝酸钠（NaNO3）对产物进行清洗，减薄纳米银颗粒间的分散剂层。
　　对反应不同阶段的纳米银进行粒度分布分析，研究了纳米银尺寸生长情况。推知纳米银制备的初始阶段，纳米银大量生成，形成结构疏松的纳米银大聚集体，随着分散剂的增加，松散的大聚集体开始慢慢散开，最终形成主要粒径分布在10n m以内的纳米银颗粒。通过改变制备纳米银的反应温度，发现室温下即可制得小尺寸且尺寸分布均匀的纳米银颗粒，且低温更为有利。改变反应物添加顺序，发现预先将少量分散剂与硝酸银混合后，再将还原剂与分散剂的混合溶液滴加进入硝酸银的添加顺序更有利于获得尺寸小且均一的纳米银颗粒。对反应生成的纳米银颗粒用硝酸钠进行清洗，有利于去除反应液中的Fe3+和SO42-等杂质离子，减薄纳米银表面包覆的分散剂层，降低导电墨水烧结过程的阻力。
　　然后，在制得的纳米银颗粒水分散体系中加入相应的添加剂调配成导电墨水，再印制到棉织物上，烧结后获得导通性优异的导电图案。
　　为了对纳米银导电墨水导电性能的提高进行研究，本论文从以下四方面进行研究，分别是加入聚苯胺导电高分子，加入HC l等烧结剂，改变烧结方式和对印制基材进行前处理。研究结果表明以上四个方向均能大大提高导电墨水的导电效果。
　　推测形成的聚苯胺和银通过C-N键的配位作用，具有很好的相容性，相比于金属银，分子链段更为柔软的聚苯胺可以填充到纳米银颗粒形成的烧结颈导电网络的空隙中，增大导电连接点的接触面积。同时，聚苯胺与基材也有更好的亲和性和包覆性，有利于形成更为完整的导电通路，大大提高印制电路的导电性。
　　烧结剂HC l的加入更是能显著提高导电效果，尤其对室温烧结的电阻降低效果非常显著，从不加入HCl时的4416Ω/□到方阻最小时的0.86Ω/□，导电墨水印制图案的方阻呈指数级下降。分析认为氯离子对金属银表面有着很强的吸附性，随着导电墨水中溶剂的蒸发，氯离子浓度升高到一定程度便使包裹在纳米银表面的柠檬酸钠解吸，纳米银失去了分散剂的保护，开始烧结形成烧结颈，从而形成导电的通路。
　　热压烧结能在比热烧结低的烧结温度下用较少的时间获得更好的导电效果，降低处理时间和能量消耗。实验中的热压烧结方阻低至0.16Ω/□。本文中的室温烧结部分加入多种室温烧结剂，在完全避免高温损伤印制基材的前提下，大幅度提高导电效果。
　　基材的前处理则主要研究了在棉织物上的应用，即对棉织物进行粗化预处理，通过对预处理添加剂用量，反应温度和时间的改变，探究纳米银导电墨水在棉纺织品上的应用。实验结果证明酸和碱预处理棉织物后，导电效果大大提高。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 纳米导电墨水概述

1.3 印制电子技术研究现状

1.4 课题研究意义及方法

第二章 纳米银水分散体系的制备及性能研究

2.1 前言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 实验原理

2.4 实验方法

2.5 测试方法

2.6 结果与讨论

2.7 本章小结

第三章 纳米银导电墨水的制备及导电性能的提高研究

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 实验方法

3.4 测试方法

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 总结

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢