阅读说明：本技术 一种流场诱导提高片状银粉/聚合物复合线材导电性的方法 (Method for improving conductivity of flake silver powder/polymer composite wire through flow field induction ) 是由 陈振兴 卿培林 王玺 徐敬尧 刘建 韦修恺 黎成武 陈柳伊 卢东宁 于 2020-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种流场诱导提高聚合物中片状银粉取向分散的方法,可提高所得片状银粉/聚合物复合线材的导电性能。片状银粉的片层厚度为纳米尺度,片层表面直径则为微米尺度。该法利用热熔挤出时的熔体拖曳力,使片状银粉在平行流场方向取向分散,从而使复合线材中片状银粉沿线材方向取向排列,形成良好的导电通道。本发明基于流场诱导使片状银粉在聚合物中取向分散的方法,所得复合线材在电学性能、光学性能、机械性能和热性能方面具有各向异性,特别适合于提高复合线材的导电性,对电路的常温3D打印具有重要意义。(The invention discloses a method for improving the oriented dispersion of flake silver powder in a polymer by flow field induction, which can improve the conductivity of an obtained flake silver powder/polymer composite wire. The thickness of the sheet layer of the flake silver powder is in a nanometer scale, and the diameter of the surface of the sheet layer is in a micrometer scale. The method utilizes the melt drag force during hot melt extrusion to ensure that the flake silver powder is oriented and dispersed in the direction parallel to the flow field, so that the flake silver powder in the composite wire is oriented and arranged along the wire direction to form a good conductive channel. The method for orienting and dispersing the flake silver powder in the polymer based on the flow field induction has the advantages that the obtained composite wire has anisotropy in electrical property, optical property, mechanical property and thermal property, is particularly suitable for improving the conductivity of the composite wire, and has important significance for normal-temperature 3D printing of a circuit.)

一种流场诱导提高片状银粉/聚合物复合线材导电性的方法

技术领域

本发明涉及复合材料、打印电子等领域，特别涉及一种导电性复合线材的制备方法。

背景技术

导电银浆由于导电性能优良，价格适中，广泛应用于印刷电子。但导电银浆存在易燃易爆、贮存稳定性差、需要专门烘烤系统以及不挥发有机物排放等问题。以导电性复合线材为原料，采用熔融沉积技术（FDM）在基材上直接打印导电图案，可避免导电银浆引起的上述问题。考虑到塑料、纸张等常用基材的耐温性较低，聚合物是复合线材最适宜的连结料。由聚合物和导电粒子组成的复合线材是常温3D打印导电图案的关键，近年来成为国内外研究的热点。囿于熔融态复合材料对基材的浸润性较差，目前国内外尚无法解决导电性与基材结合力这一对矛盾。在保证良好基材结合力的条件下，聚合物含量通常不得低于20%（质量），这意味着复合线材中银粉用量不得高于80%（质量），此时复合线材的体积电阻率一般大于3×10^-3Ω·cm，远远不能满足导电要求。

片状银粉的片层厚度为纳米尺度，片层表面则为微米尺度。片状银粉由于颗粒间可以形成取向分散（面-面接触），粉片间接触面积较大，因此有利于提高导电性。众所周知，由熔体拉伸的拖曳力而产生的扭力矩是有利于粉片取向分散的。但实际热熔挤出过程中，除熔体拉伸产生的拖曳力以外，片状粉体还受到粘滞阻力、热运动力、胶体引力与斥力等作用力。这些作用力的大小与方向不断变化，影响片状粉体的取向以及复合线材的导电性。如果在热熔挤出片状银粉/聚合物复合线材的过程中，使拖曳力相对其它作用力足够大，片状银粉将在扭力矩作用下克服其它阻力矩而转动取向（图1），沿平行于熔体流动方向取向分散，从而构建平行于复合线材方向的导电通道，这对于提高复合线材的导电性无疑具有重要意义。

发明内容

针对片状银粉/聚合物复合线材中片状银粉取向分散较差，提供一种流场诱导片状银粉取向分散，从而提高片状银粉/聚合物复合线材导电性的方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

（1）在混合机中按一定质量配比先后加入颗粒状聚合物和片状银粉，混合均匀；

（2）将聚合物和片状银粉的混合物加入双螺杆混炼塑化挤出一体机中；

（3）混合物在一定温度下混炼塑化后，利用螺杆输送至长程挤出头（图2），得到由片状银粉、聚合物复合而成的复合线材（图3）。在长程挤出头中，片状银粉在熔体拖曳力作用下取向排列（图4）。

步骤（1）中，所述的颗粒状聚合物为聚乙烯醇缩丁醛、饱和聚酯、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等热塑性聚合物。

步骤（1）中，所述片状银粉是指直径远大于厚度的银粉，径厚比大于10，平均粒径D₅₀在3~6微米。

步骤（1）中，所述片状银粉与聚合物的质量配比在30:70~60:40。

步骤（2）中，所述的双螺杆混炼塑化挤出一体机采用长程型挤出头，挤出头内径为1毫米，挤出头的长度与内径之比在20~100范围内变化。

步骤（3）中，所述的温度范围在130~200℃。

本发明利用流场诱导复合线材中片状银粉的取向分散，具有如下优点和效果：

（1）本发明所制备的导电复合线材的导电性明显提高；

（2）本发明所制备的导电复合线材不会引入其它组分与杂质；

（3）本发明所制备的导电复合线材可直接用于电路的3D打印（图5）。

附图说明

图1为片状银粉翻转示意图。

图2为挤出头设计图。

图3为复合线材照片。

图4为复合线材的断面扫描电镜图。

图5为利用复合线材在PET膜片上3D打印的导电图案。

具体实施方式

1

（1）在混合机中先后加入聚乙烯醇缩丁醛340克，饱和聚酯110克，粒径D₅₀为4微米、径厚比大于10的片状银粉550克，混合均匀；

（2）将聚合物和片状银粉的均匀混合物加入双螺杆混炼塑化挤出一体机中；

（3）混合物于177℃混炼塑化4小时，利用螺杆输送至直径1毫米、长度30毫米的长程挤出头中，得到由片状银粉、聚合物组成的复合线材。在长程挤出头中，片状银粉在熔体拖曳力作用下取向排列。

（4）采用熔融沉积式3D打印机在PET膜片上打印导电图案，3D打印机的挤出温度为177℃，基板温度为150℃。

本实施例制备得到的片状银粉/聚合物复合线材的特性为：复合线材直径1毫米，体积电阻率3.4×10^-4Ω·cm，可满足一般的导电要求。在PET膜片上打印的导电图案，其结合力等级为0级。

具体实施方式2

（1）在混合机中先后加入聚乙烯醇缩丁醛380克，饱和聚酯120克，粒径D₅₀为4微米、径厚比大于10的片状银粉500克，混合均匀；

（2）将聚合物和片状银粉的均匀混合物加入双螺杆混炼塑化挤出一体机中；

（3）混合物于170℃混炼塑化4小时，利用螺杆输送至直径1毫米、长度50毫米的长程挤出头中，得到由片状银粉、聚合物组成的复合线材。在长程挤出头中，片状银粉在熔体拖曳力作用下取向排列。

（4）采用熔融沉积式3D打印机在PET膜片上打印导电图案，3D打印机的挤出温度170℃，基板温度150℃。

本实施例制备得到的片状银粉/聚合物复合线材的特性为：复合线材直径1毫米，体积电阻率7.8×10^-4Ω·cm，可满足一般的导电要求。在PET膜片上打印的导电图案，其结合力等级为0级。