一种新型RFID标签天线用导电油墨的配制

天津科技大学包装与印刷工程学院 李庆伟

一种新型RFID标签天线用导电油墨的配制

天津科技大学包装与印刷工程学院 李庆伟

基于RFID标签天线对导电性要求较高的特性，实验以自制Ag作为导电填料。论文采用液相化学还原法，以次磷酸钠为还原剂，还原硝酸银制备纳米银胶。通过控制反应条件（温度、pH值等）、反应物的量（六偏磷酸钠、PVP）制备出粒径分布均匀、分散稳定性优良的纳米银胶。通过向银胶中添加电解质，析出纳米银粉，加上适量的助剂、溶剂和分散剂，制备了水性丙烯酸树脂和水性聚氨酯基导电油墨。分析了影响油墨导电性能的各影响因素。

RFID，导电油墨，纳米银

RFID（Radio Frequency Identification）电子标签在公共安全、物流管理、生产制造等领域有着广阔的应用前景，印刷法制备标签天线技术也日趋成熟。丝网印刷可制备厚膜导线，成本较高。喷墨导电墨水成本低、无污染，但对设备要求比较高[1]。本文结合二者的特点，制备以纳米银为导电填料的水性丝网印刷用导电油墨，并对油墨导电性影响因素做了研究分析。

实验部分

实验材料及设备

主要原材料：硝酸银，次磷酸钠，PVP-K30，六偏磷酸钠，1mol/l的硫酸，水性丙烯酸树脂，水性聚氨酯树脂。

主要仪器：恒温水浴锅、电动恒速搅拌器、超声波清洗器、真空干燥箱、PH值测试仪、90 Plus Particle Size Analyzer。

实验方法

首先制备纳米银胶：量取一定量的硝酸银、去离子水，配制一定浓度的硝酸银溶液。然后配制还原剂溶液，称取定量的次磷酸钠、六偏磷酸钠、PVP，溶解到去离子水中，搅拌使其充分溶解，并用1mol/L的硫酸调节PH值。将还原液放置水浴环境中，加热至一定温度。边搅拌边将硝酸银溶液以一定速度缓慢滴加到还原液中，滴加完成后继续搅拌0.5～1小时，直至反应完全，最终得到红棕色纳米银胶[2]。

其次从银胶中析出银粉：实验完成后，使银溶胶冷却至室温。然后在低速搅拌器下，缓慢滴加一定浓度的氨水到银浆溶剂中[3]。调节使pH值达到3～4之间，结束滴加标准为胶体由红棕色变为蓝黑色。滴加完成后，继续搅拌30min。再用无水乙醇、去离子水对产物进行2～3次洗涤抽虑提纯，得到纳米银粉。

最后进行油墨配制实验：按照表1的比例，称取各组分的量。在超声振荡的条件下向银粉中加入水性树脂及少量的消泡剂、流平剂和分散剂，超声振荡30min使其混合均匀，制得水性丙烯酸和水性聚氨酯基导电油墨。

表1 导电油墨的材料配比

表征与分析

1．纳米银粒径表征

主要采用90 Plus Particle Size Analyzer分析纳米银胶的粒径整体分布，银胶的激光粒度仪分析图谱如下：

图3中的信息表明，纳米银粉的粒径多分布在40～60nm之间。

采用SU-1510扫描电子显微镜（SEM）分析纳米银粉的形貌以及团聚情况，纳米银胶的SEM分析图如下：

由图中可以看出，纳米粒子分散均匀，且无明显团聚现象，有少量杂质存在。基于SEM图的粒径分布分析图谱如图5。

SEM粒径分析图谱同样显示银胶中纳米粒子的粒径多分布于40～60nm之间。

2．油墨导电性测试

使用万用表测试印刷电路的电阻值，验证导电油墨的导电性。电阻值与线条的长度，横截面积和导电材料有关，实验中测得宽度为2mm的线条，长度为0.5cm和1.0cm的电阻值。正如表2所示，油墨具有良好的导电性。

表2 电线的不同长度的电阻值

3．固化的时间对印刷品的导电性的影响

固化是指油墨中的固体物质特别是粘合剂树脂，在某一温度下，失去溶剂的作用，产生交联，凝固成固态的过程。湿态的油墨并不具有导电性，只有当溶剂挥发，树脂固化后，油墨的导电性才能表现出来。当温度达到固化点时，导电油墨中的固体物质呈链状链接，随着树脂交联固化，分散的导电微粒距离越来越小，微粒接触概率增加，并紧密结合，此时导致结构趋于平衡与稳定。

实验中，首先将印刷好的图像放置在真空干燥箱中，在温度为100℃下干燥20分钟，测其长度为1cm的不同的电路线条的电阻值均大于100欧；放在干燥箱中继续干燥至40分钟，测其阻值为50～100欧；继续干燥至1小时，测其电阻为3～5欧；继续干燥，电阻值没有明显的变化。经过试验的论证，过长的时间对改善导电性没有意义。

表3 固化时间对电阻值的影响

以此磷酸钠为还原剂还原硝酸银制得的纳米银粉，粒径分布均匀，结合一定的树脂、助剂，在100℃/1h烘箱条件下，得到导电性能良好、附着力强的导电油墨，满足纸基RFID标签天线印制。

[1] 李露海，方一等，《一种喷墨导电墨水》，北京印刷学院，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] 孙红刚，刘恒等，《次磷酸钠液相化学还原法制备纳米银粉的研究》，2005.11，18～20。

10.3969/j.issn.1007-2160.2012.11.01