天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院 李慶偉

一種新型RFID標(biāo)簽天線用導(dǎo)電油墨的配制

天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院 李慶偉

基于RFID標(biāo)簽天線對導(dǎo)電性要求較高的特性，實驗以自制Ag作為導(dǎo)電填料。論文采用液相化學(xué)還原法，以次磷酸鈉為還原劑，還原硝酸銀制備納米銀膠。通過控制反應(yīng)條件（溫度、pH值等）、反應(yīng)物的量（六偏磷酸鈉、PVP）制備出粒徑分布均勻、分散穩(wěn)定性優(yōu)良的納米銀膠。通過向銀膠中添加電解質(zhì)，析出納米銀粉，加上適量的助劑、溶劑和分散劑，制備了水性丙烯酸樹脂和水性聚氨酯基導(dǎo)電油墨。分析了影響油墨導(dǎo)電性能的各影響因素。

RFID，導(dǎo)電油墨，納米銀

RFID（Radio Frequency Identification）電子標(biāo)簽在公共安全、物流管理、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，印刷法制備標(biāo)簽天線技術(shù)也日趨成熟。絲網(wǎng)印刷可制備厚膜導(dǎo)線，成本較高。噴墨導(dǎo)電墨水成本低、無污染，但對設(shè)備要求比較高[1]。本文結(jié)合二者的特點，制備以納米銀為導(dǎo)電填料的水性絲網(wǎng)印刷用導(dǎo)電油墨，并對油墨導(dǎo)電性影響因素做了研究分析。

實驗部分

實驗材料及設(shè)備

主要原材料：硝酸銀，次磷酸鈉，PVP-K30，六偏磷酸鈉，1mol/l的硫酸，水性丙烯酸樹脂，水性聚氨酯樹脂。

主要儀器：恒溫水浴鍋、電動恒速攪拌器、超聲波清洗器、真空干燥箱、PH值測試儀、90 Plus Particle Size Analyzer。

實驗方法

首先制備納米銀膠：量取一定量的硝酸銀、去離子水，配制一定濃度的硝酸銀溶液。然后配制還原劑溶液，稱取定量的次磷酸鈉、六偏磷酸鈉、PVP，溶解到去離子水中，攪拌使其充分溶解，并用1mol/L的硫酸調(diào)節(jié)PH值。將還原液放置水浴環(huán)境中，加熱至一定溫度。邊攪拌邊將硝酸銀溶液以一定速度緩慢滴加到還原液中，滴加完成后繼續(xù)攪拌0.5～1小時，直至反應(yīng)完全，最終得到紅棕色納米銀膠[2]。

其次從銀膠中析出銀粉：實驗完成后，使銀溶膠冷卻至室溫。然后在低速攪拌器下，緩慢滴加一定濃度的氨水到銀漿溶劑中[3]。調(diào)節(jié)使pH值達(dá)到3～4之間，結(jié)束滴加標(biāo)準(zhǔn)為膠體由紅棕色變?yōu)樗{(lán)黑色。滴加完成后，繼續(xù)攪拌30min。再用無水乙醇、去離子水對產(chǎn)物進(jìn)行2～3次洗滌抽慮提純，得到納米銀粉。

最后進(jìn)行油墨配制實驗：按照表1的比例，稱取各組分的量。在超聲振蕩的條件下向銀粉中加入水性樹脂及少量的消泡劑、流平劑和分散劑，超聲振蕩30min使其混合均勻，制得水性丙烯酸和水性聚氨酯基導(dǎo)電油墨。

表1 導(dǎo)電油墨的材料配比

表征與分析

1．納米銀粒徑表征

主要采用90 Plus Particle Size Analyzer分析納米銀膠的粒徑整體分布，銀膠的激光粒度儀分析圖譜如下：

圖3中的信息表明，納米銀粉的粒徑多分布在40～60nm之間。

采用SU-1510掃描電子顯微鏡（SEM）分析納米銀粉的形貌以及團(tuán)聚情況，納米銀膠的SEM分析圖如下：

由圖中可以看出，納米粒子分散均勻，且無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，有少量雜質(zhì)存在。基于SEM圖的粒徑分布分析圖譜如圖5。

SEM粒徑分析圖譜同樣顯示銀膠中納米粒子的粒徑多分布于40～60nm之間。

2．油墨導(dǎo)電性測試

使用萬用表測試印刷電路的電阻值，驗證導(dǎo)電油墨的導(dǎo)電性。電阻值與線條的長度，橫截面積和導(dǎo)電材料有關(guān)，實驗中測得寬度為2mm的線條，長度為0.5cm和1.0cm的電阻值。正如表2所示，油墨具有良好的導(dǎo)電性。

表2 電線的不同長度的電阻值

3．固化的時間對印刷品的導(dǎo)電性的影響

固化是指油墨中的固體物質(zhì)特別是粘合劑樹脂，在某一溫度下，失去溶劑的作用，產(chǎn)生交聯(lián)，凝固成固態(tài)的過程。濕態(tài)的油墨并不具有導(dǎo)電性，只有當(dāng)溶劑揮發(fā)，樹脂固化后，油墨的導(dǎo)電性才能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度達(dá)到固化點時，導(dǎo)電油墨中的固體物質(zhì)呈鏈狀鏈接，隨著樹脂交聯(lián)固化，分散的導(dǎo)電微粒距離越來越小，微粒接觸概率增加，并緊密結(jié)合，此時導(dǎo)致結(jié)構(gòu)趨于平衡與穩(wěn)定。

實驗中，首先將印刷好的圖像放置在真空干燥箱中，在溫度為100℃下干燥20分鐘，測其長度為1cm的不同的電路線條的電阻值均大于100歐；放在干燥箱中繼續(xù)干燥至40分鐘，測其阻值為50～100歐；繼續(xù)干燥至1小時，測其電阻為3～5歐；繼續(xù)干燥，電阻值沒有明顯的變化。經(jīng)過試驗的論證，過長的時間對改善導(dǎo)電性沒有意義。

表3 固化時間對電阻值的影響

以此磷酸鈉為還原劑還原硝酸銀制得的納米銀粉，粒徑分布均勻，結(jié)合一定的樹脂、助劑，在100℃/1h烘箱條件下，得到導(dǎo)電性能良好、附著力強(qiáng)的導(dǎo)電油墨，滿足紙基RFID標(biāo)簽天線印制。

[1] 李露海，方一等，《一種噴墨導(dǎo)電墨水》，北京印刷學(xué)院，2009.10.

[2] Zhihua Li,Yangwei Wang,and Qiaoqian Yu.Significant Parameters in the Optimization of Synthesis of Silver Nanoparticles by Chemical Reduction Method，J ournal of Materials Engineering and Performance.J uly 3,2008.p252-254.

[3] 孫紅剛，劉恒等，《次磷酸鈉液相化學(xué)還原法制備納米銀粉的研究》，2005.11，18～20。

10.3969/j.issn.1007-2160.2012.11.01