纳米导电油墨最新技术与应用进展
印刷技术和电子技术广泛而深入的结合，诞生了印刷电子技术。

批量化、大面积、低
成本以及柔性化是印刷电子产品与传统电子产品最大的不同。

作为印刷电子材料的主力军，纳米导电油墨在国内外备受关注，其发展十分迅速，在某些行业表现出其他任何材料无法
比拟的优势，已经处在大规模市场化应用的前夜。

idtechex的最新报告（conductiveinkmarkets2021～2021）显示，纳米导电油墨市场预计在2021年将达到
33.6亿美元。

纳米导电油墨属于新型功能印刷材料，与传统油墨不同的是，其添加了纳米级的导电
填料。

纳米导电油墨的雏形始于20世纪90年代，其研发目的主要是为了解决电子产品的
高成本问题。

经过20多年的发展，纳米导电油墨的种类不断丰富，性能不断提高，用途
随之扩展，给印刷业带来了新的生机和增长点。

纳米导电油墨技术进展
纳米导电油墨一般由纳米导电颗粒、树脂连结料、溶剂、分散稳定剂和助剂组成。

根
据纳米导电颗粒种类的不同，纳米导电油墨可分为银系、铜系、碳系（碳纳米管、石墨烯）三类。

1.纳米银导电油墨
由于银具有很高的导电性和防氧化性，因此，纳米银导电油墨成为大多数科研单位和
行业的首选，是行业中研究报道最多、应用最成熟的纳米导电油墨。

制备纳米银导电油墨时，一般是先在低浓度下制备出纳米银颗粒的分散液，干燥或浓缩后再加入所需溶剂和助
剂重新分散，得到所需浓度的纳米银导电油墨。

纳米银导电油墨的技术进展集中体现在以
下几方面。

（1）纳米银颗粒的粒径掌控
喷墨印刷领域很关注银颗粒的粒径，由于喷嘴直径小（最低可达10微米以下），很
容易造成堵塞现象，因此一般要求银颗粒的粒径小于喷嘴直径的十分之一。

虽然控制纳米
银颗粒粒径的方法很多，但要想使数量巨多的银颗粒的大小相同却很难，这是因为在复杂
的液相反应中，每个银颗粒所处的生长环境不一样，很容易导致颗粒大小不一。

目前，粒
径为10nm以下的纳米银颗粒制备技术已经稳定，纳米银导电墨水已经投放市场，喷墨印
刷性能良好，但需冷藏保存。

为避免纳米银导电墨水堵塞喷嘴以及提高墨水稳定性，研究
人员还开发了有机纳米银导电墨水，该墨水呈浅色透明溶液状，打印中不会造成喷嘴堵塞，打印后经过高温加热（150℃左右）反应后形成纳米银颗粒，得到导电性良好的线路。

表1为普通纳米银导电墨水与有机纳米银导电墨水的
性能比较。

（2）干燥温度控制
导电油墨印刷后通常须要经过冷却潮湿就可以并使印品达至较好的导电性。

纳米银导
电油墨的主要优势之一就是在很低的潮湿温度下，就可以达至较好的导电效果，这样不仅
能够拓展基材采用范围（纸张、pet等无法忍受高温的材料都可以做为导电线路的基材），同时也能够降低生产能耗。

潮湿温度与纳米银颗粒的大小和溶剂类型有关。

研究报导表示，当纳米银颗粒粒径在100nm以下时，其潮湿温度可以减少至100℃。

现在国内尚无厂商面
世纳米银导电油墨，其印刷后的潮湿温度可以减少至100～120℃，全然满足用户大多数常用的印刷基材建议。

（3）油墨银含量与稳定性
在某些用途中，必须采用低银含量的导电油墨去满足用户印刷工艺和线路导电性的建议。

而提升油墨银含量的同时，可以损害至银颗粒的集中稳定性，因此，如何兼具油墨的
低银含量和稳定性就是纳米银导电油墨的难点之一。

油墨稳定性可以通过重新加入助剂、
发生改变集中工艺或提升油墨黏度去化解。

目前，国内市场上已经面世了银含量最低仅约75%的纳米银导电油墨，其稳定性极高，性能方面打破国外同类产品，可以用作纳米压印
方式生产透明化导电薄膜，已步入量产阶段。

将此75%银含量的纳米银导电油墨，通过相
同比例的溶剂吸收，
可应用于凹版印刷、柔版印刷、喷墨印刷等。

2.碳纳米管导电油墨
碳纳米管导电油墨在近几年飞速发展，具备非常大应用领域潜力和研发价值。

碳纳米
管（carbonnanotubes，cnts）就是一种管状的碳分子，每个碳原子均实行sp2杂化，相
互之间以c-c键融合，构成六边形的蜂窝状结构。

cnts的半径只有纳米级别，而在轴向短超过数十至数百微米，长径比仅约1000以上，不易相互内模，构成导电通路，电导率更
是可以达至石墨的20倍左右，非常适合并作导电填料。

根据管子的层数相同，cnts可以
分成单壁cnts（例如图1右图）和多壁cnts两大类。

cnts的导电性能够与其结构密切相关：碳原子上未参予杂化的p电子构成小范围的离域π键，由于共轭效应明显，cnts具
备一些特定的电学性质，很适宜并作导电填料。

由于cnts在溶剂中集中浓度很低，因此
目前多用作喷墨列印线路。

将cnts做为导电油墨的导电填料，遭遇的难题就是cnts的拆
分和cnts的集中。

（1）cnts的拆分
碳纳米管导电油墨在制备过程中会不可避免地同时含有金属性和半导体性两种类型的cnts，因此其应用常受到严重限制。

例如，当制造芯片时，需要使用半导体性质的cnts；在其他导电用途中，需要使用金属性质的cnts。

因此，不少国家的科研机构都致力于
cnts分离技术的研究。

电泳分离法和层离法就是最常用的拆分方法，虽然可以有效地分离出单壁cnts，但存有参杂效应（当氧化物中混入另一种价态相同的阳离子时，由于阳离子之间的相互作用和
电荷再次原产，并使氧化物中的离子瑕疵浓度和电子瑕疵浓度发生变化），可能将发生改
变cnts的固有性质，而且获得的cnts的长度也不理想。

最新研究辨认出了一种全新的
cnts拆分方法dd库仑核爆法，利用静电排挤的原理并使一束单壁cnts带同种电荷。

当电
荷之间的排斥力大于单壁cnts之间的范德华力时，库仑核爆并使一束单壁cnts相互拆分。

扎曼光谱（raman）等实验说明，库仑核爆并没毁坏cnts的结构。

另一最新研究成果中，
研究人员利用含氟基的有机分子通过“环路加成反应”去有效率遏制金属性cnts的特性，将半导体性质的cnts甄选出，从而将两种相同类型的cnts分离。

这项技术使大规模生产
半导体性质的cnts沦为可能将，并可望应用于电子薄膜、下一代光伏材料的生产。

（2）cnts的集中
cnts固有的表面惰性和不溶解性使其难以分散在溶剂和树脂体系中。

目前，可以采用对cnts进行表面化学改性的方法，使cnts表面生成大量的活性基团（如羟基、羧基），
再利用这些活性基团与有机分子或聚合物单体反应，从而在cnts表面接枝有机分子链，
然后将接枝改性后的cnts分散在溶剂和树脂体系中，最后经过调节黏度、表面张力等参数，。