PL237572B1

PL237572B1 - Method for producing paste for printing electric current conducting coatings

Info

Publication number: PL237572B1
Application number: PL422045A
Authority: PL
Inventors: Sławomir Boncel; Rafał Jędrysiak; Artur Hermann; Anna Kolanowska
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2021-05-04
Also published as: PL422045A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania pasty do druku powłok przewodzących prąd elektryczny.The present invention relates to a method of producing a paste for printing electrically conductive coatings.

Cel wynalazkuObject of the invention

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania pasty do druku dającej po wyschnięciu powłoki przewodzące prąd elektryczny. Powłoki te mogą znaleźć zastosowanie w tzw. tekstronice i dziedzinach pokrewnych wykorzystujących elektronikę drukowaną.The object of the invention is to provide a method for the production of a printing paste which gives an electrically conductive coating after drying. These coatings can be used in the so-called textronics and related fields using printed electronics.

Tekstronika jako technologia realizuje synergię wyrobów włókienniczych, elektroniki i informatyki. Na różny sposób implementowane elementy przewodzące (kable, powłoki, filmy, etc.) produktów tekstronicznych (znanych również jako tekstylia typu 'smart') stanowią ich podstawowy komponent. Szczególnie powłoki przewodzące wymagają dogodnej technologii nanoszenia/integracji z tekstyliami oraz powtarzalnej charakterystyki elektrycznej i mechanicznej. Uzyskanie takich produktów nie jest jednak łatwe z uwagi na konieczność równomiernego i stabilnego wprowadzenia przewodzącego składnika do nieprzewodzącej matrycy/bazy; np. do dnia dzisiejszego nie udało się uzyskać powłok, które miałyby opór elektryczny porównywalny z typowymi przewodnikami metalicznymi (Cu, Al, Ag, etc.). Poza tym przewodniki metaliczne mają szereg wad, od których w dużej mierze są wolne powłoki przewodzące -te ostatnie mają niewielką gęstość, wysoką elastyczność, odporność na warunki atmosferyczne oraz istnieje możliwość ich trwałej i 'dostrajalnej' kompa tybilizacji fizykochemicznej z powierzchnią tekstyliów.Textronics as a technology realizes the synergy of textiles, electronics and computer science. The variously implemented conductive elements (cables, sheaths, films, etc.) of textronic products (also known as 'smart' textiles) constitute their basic component. Conductive coatings in particular require a convenient application / integration technology with textiles as well as reproducible electrical and mechanical characteristics. Obtaining such products is not easy, however, due to the need to evenly and stably incorporate the conductive component into the non-conductive matrix / base; for example, to date, it has not been possible to obtain coatings that would have an electrical resistance comparable to typical metallic conductors (Cu, Al, Ag, etc.). Apart from that, metallic conductors have a number of disadvantages, from which the conductive coatings are largely free - the latter have a low density, high flexibility, resistance to weather conditions and there is a possibility of their permanent and 'tunable' physical and chemical compatibility with the surface of textiles.

Możliwość zastosowań układów tekstronicznych (tzw. e-tekstyliów) obejmuje następujące dziedziny życia:The possibility of using textronic systems (so-called e-textiles) covers the following areas of life:

1) bezpieczeństwo osobiste (czujniki zanieczyszczeń, czujniki promieniowania, grzejne/chłodzące elementy, czujniki temperatury (C. Schonenberger, A. Bachtold, C. Strunk, J.-P. Salvetat, L. Forro, Interference and Interaction in multi-wall carbon nanotubes. Appl. Phys. A 1999, 69, 283).1) personal safety (pollution sensors, radiation sensors, heating / cooling elements, temperature sensors (C. Schonenberger, A. Bachtold, C. Strunk, J.-P. Salvetat, L. Forro, Interference and Interaction in multi-wall carbon) nanotubes. Appl. Phys. A 1999, 69, 283).

2) medycyna (kontrola temperatury, czujniki oddechu, analizatory pracy serca (Y. Zhao, J. Wei, R. Vajtai, P. M. Ajayan, E. V. Barrera, Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals. Sci. Rep. 2011, 1, 83.)2) medicine (temperature control, respiratory sensors, heart rate analyzers (Y. Zhao, J. Wei, R. Vajtai, PM Ajayan, EV Barrera, Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals. Sci. Rep. 2011, 1, 83.)

3) inżynieria wojskowa (kamuflaż, kamizelki kuloodporne, żołnierz przyszłości (B. Vigolo, A. Penicaud, C. Coulon, C. Sauder, R. Pailler, C. Journet, P. Bernier, P. Poulin, Macroscopic fibers and ribbons of oriented carbon nanotubes. Science 2000, 290, 1331-1334.)3) military engineering (camouflage, bulletproof vests, soldier of the future (B. Vigolo, A. Penicaud, C. Coulon, C. Sauder, R. Pailler, C. Journet, P. Bernier, P. Poulin, Macroscopic and ribbons of fibers oriented carbon nanotubes. Science 2000, 290, 1331-1334.)

4) styl życia, moda i rekreacja/sport np. elektronika zintegrowana z meblami, ubrania interaktywne, naklejki reklamowe, pomiar parametrów pracy organizmu (Eds: Y. Pauleau, P. B. Barna, Protective Coatings and Thin Films: Synthesis, Characterization and Applications. Springer, Houten (Netherlands) 1997).4) lifestyle, fashion and recreation / sport, e.g. electronics integrated with furniture, interactive clothes, advertising stickers, measurement of body parameters (Eds: Y. Pauleau, PB Barna, Protective Coatings and Thin Films: Synthesis, Characterization and Applications. Springer) , Houten (Netherlands) 1997).

Stan technikiState of the art

W stanie techniki nanorurki węglowe (CNTs) cieszą się dużym zainteresowaniem w inżynierii materiałowej (kompozyty, nośniki, farby, etc.) z uwagi na ich dobre właściwości elektryczne i inne właściwości fizykochemiczne, np. doskonałe przewodnictwo cieplne i obojętność chemiczną. Stąd też prowadzone są coraz intensywniejsze badania nad powłokami elektrycznie przewodzącymi w kierunku zastosowań w inteligentnych tekstyliach, drukowanej elektronice, sensora ch, elastycznych wyświetlaczach, etc.In the prior art, carbon nanotubes (CNTs) are of great interest in materials engineering (composites, carriers, paints, etc.) due to their good electrical properties and other physicochemical properties, e.g. excellent thermal conductivity and chemical inertness. Hence, more and more intensive research is being carried out on electrically conductive coatings towards applications in intelligent textiles, printed electronics, sensors, flexible displays, etc.

Z opisu patentowego US2008044651 (A1) znany jest atrament przewodzący otrzymany przez zawieszenie CNTs w alkoholu etylowym (96% obj.) z dodatkiem środka dyspergującego. Całość poddano działaniu ultradźwięków przez 25 minut i odwirowano (6500 obr/min, 10 minut). Otrzymany atrament naniesiono na poliester i po wysuszeniu pokryto warstwą polimeru przewodzącego. Opór powierzchniowy uzyskanego pokrycia wynosił 7500-15000 Ω/kwadrat.From US2008044651 (A1) there is known a conductive ink obtained by suspending CNTs in ethyl alcohol (96% vol.) With the addition of a dispersant. It was sonicated for 25 minutes and centrifuged (6500 rpm, 10 minutes). The obtained ink was applied to polyester and, after drying, covered with a layer of conductive polymer. The surface resistance of the obtained coating was 7500-15000 Ω / square.

Z literatury T. Kitano, Y. Maeda, T. Akasaka, Preparation of transparent and conductive thin films of carbon nanotubes using a spreading/coating technique, Carbon 2009, 47, 3559-3565 znany jest atrament otrzymany przez zdyspergowanie jednościennych CNTs w izopropanolu, odwirowanie, a następnie zmieszanie stałej pozostałości z wodą destylowaną, izopropanolem, C 60(OH)n i wodorotlenkiem sodu oraz ponowne odwirowanie. Supernatant otrzymany po drugim odwirowaniu wykorzystany został jako atrament. Powierzchniowy opór elektryczny pokrycia mieścił się w zakresie 4300-13000 Ω/kwadrat.From the literature of T. Kitano, Y. Maeda, T. Akasaka, Preparation of transparent and conductive thin films of carbon nanotubes using a spreading / coating technique, Carbon 2009, 47, 3559-3565, the ink obtained by dispersing single-wall CNTs in isopropanol is known, centrifugation followed by mixing the solid residue with distilled water, isopropanol, C 60 (OH) n and sodium hydroxide and re-centrifuging. The supernatant obtained after the second centrifugation was used as the ink. The surface electrical resistance of the coating was in the range of 4300-13000 Ω / square.

PL 237 572 B1PL 237 572 B1

Dodatkowo z literatury (M. in het Panhuis, J. Wu, S.A. Ashraf, G.G. Wallace, Conducting textiles from single-walled carbon carbon nanotubes, Synth. Met. 2007, 157, 358-362) znany jest także przewodzący barwnik otrzymany przez zdyspergowanie jednościennych CNTs w wodnym roztworze PMAS przy użyciu ultradźwięków. Powierzchniowy opór elektryczny uzyskanego pokrycia wyniósł 7800 Ω/kwadrat.In addition, from the literature (M. in het Panhuis, J. Wu, SA Ashraf, GG Wallace, Conducting textiles from single-walled carbon carbon nanotubes, Synth. Met. 2007, 157, 358-362) there is also known a conductive dye obtained by dispersing single-walled CNTs in an aqueous PMAS solution using ultrasound. The surface electrical resistance of the obtained coating was 7800 Ω / square.

Opór elektryczny powłok uzyskiwanych z użyciem komercyjnie dostępnych past po naniesieniu na materiał (drewno, papier, plastik, korek, tkanina) wynosi od 500 Ω/kwadrat (Bare Conductive's Electric Paint™). Podsumowując, dotychczasowe rozwiązania skutkowały oporem powierzchniowym powyżej 90 Ω/kwadrat. Od tych problemów wolne jest proponowane według wynalazku rozwiązanie.The electrical resistance of coatings obtained with commercially available pastes when applied to a material (wood, paper, plastic, cork, fabric) is from 500 Ω / square (Bare Conductive's Electric Paint ™). In summary, the existing solutions resulted in a surface resistance above 90 Ω / square. The solution proposed according to the invention is free from these problems.

Istota wynalazku polega na sposobie wytwarzania past do druku powłok przewodzących prąd elektryczny prowadzonym poprzez mieszanie surfaktantu, nanorurek węglowych i wody oraz poddaniu mieszaniny działaniu ultradźwięków i charakteryzuje się tym, że nanorurki węglowe wprowadza się do mieszaniny po rozpuszczeniu surfaktantu w wodzie, następnie oddziałuje się ultradźwiękami w czasie 1 godziny i przy mocy ultradźwięków 480 W, przesącza się mieszaninę pod zmniejszonym ciśnieniem w stosunku do atmosferycznego, po czym odsączone nanorurki węglowe równomiernie i równowagowo pokryte surfaktantem przemywa się wodą destylowaną, a następnie suszy w temperaturze 85-90°C.The essence of the invention consists in the method of producing pastes for printing electrically conductive coatings by mixing surfactant, carbon nanotubes and water, and subjecting the mixture to ultrasound, and it is characterized in that carbon nanotubes are introduced into the mixture after the surfactant is dissolved in water, and then treated with ultrasound in for 1 hour and with 480 W of ultrasound, the mixture is filtered under reduced pressure to the atmosphere, and then the filtered carbon nanotubes are evenly and equilibrated with surfactant washed with distilled water and then dried at 85-90 ° C.

Jako surfaktant stosuje się dodecylobenzenosulfonian sodu. Jako surfaktant stosuje się dodecylobenzenosulfonian sodu. Jako surfaktant stosuje się laurylosiarczan sodu.The surfactant used is sodium dodecylbenzene sulfonate. The surfactant used is sodium dodecylbenzene sulfonate. The surfactant used is sodium lauryl sulfate.

Poprzez sposób według wynalazku otrzymuje się grubość powłoki po kondycjonowaniu od 1 μm do > 5 mm, a powierzchniowy opór elektryczny w zależności od grubości powłoki wynosi => 5 Ω/kwadrat.The method according to the invention achieves a coating thickness from 1 μm to> 5 mm after conditioning, and the surface electrical resistance depending on the coating thickness is => 5 Ω / square.

Wynalazek przedstawiono w przykładach realizacji.The invention is illustrated in the following examples.

P r z y k ł a d sposobu przygotowania pasty 1 g dodecylobenzenosulfonianu sodowego (SDBS) rozpuszczono w 300 ml wody destylowanej, Do tak przyrządzonego roztworu dodano 1 g MWCNTs (produkt komercyjny Nanocyl NC7000™), a całość poddano działaniu ultradźwięków przez 1 godzinę przy mocy ultradźwięków 480 W. Mieszaninę przesączono pod zmniejszonym ciśnieniem (45 torr) na lejku ze spiekiem G2 i przemyto dwoma litrami wody destylowanej w celu odmycia nadmiaru niezaadsorbowanego surfaktantu. Suszono w suszarce elektrycznej temperaturze 85°C przez 2 godziny. Z tak przygotowanych CNTs przygotowano pastę. Do j/w zindywidualizowanych MWCNTs dodano 20 g transparentnej bazy akrylowej SICO SX 150™ oraz 60 ml wody destylowanej. Całość mieszano przez 15 minut na mieszadle mechanicznym przy szybkości 1800 rpm uzyskując pastę gotową do dalszych zastosowań.Paste preparation example 1 g of sodium dodecylbenzene sulphonate (SDBS) was dissolved in 300 ml of distilled water. 1 g of MWCNTs (commercial product Nanocyl NC7000 ™) was added to the solution prepared in this way, and the whole was subjected to ultrasound for 1 hour using 480 W ultrasound power. The mixture was vacuum filtered (45 torr) on a G2 fritted funnel and washed with two liters of distilled water to wash off any excess non-adsorbed surfactant. Dried in an electric dryer at 85 ° C for 2 hours. A paste was prepared from the thus prepared CNTs. 20 g of SICO SX 150 ™ transparent acrylic base and 60 ml of distilled water were added to the abovementioned individualized MWCNTs. The whole was mixed for 15 minutes on a mechanical mixer at a speed of 1800 rpm, obtaining a paste ready for further applications.

P r z y k ł a d sposobu przygotowania pasty 2 g laurylosiarczanu sodowego (SDS) rozpuszczono w 300 ml wody destylowanej. Do tak przyrządzonego roztworu dodano 2 g MWCNTs (warunki syntezy: 760°C, 5,5% ferrocen w toluenie, natężenie przepływu argonu 1,8 l/min, dozowanie surowca 2,8 ml/h, rura kwarcowa φ = 75 mm, l = 1 m przy morfologii MWCNTs: l = 250 μm, dzewn. = 50 nm) i poddano działaniu ultradźwięków przez 1 h. Powstałą w ten sposób dyspersję przesączono pod zmniejszonym ciśnieniem (45 torr) na lejku ze spiekiem G2 i przemyto dwoma litrami wody destylowanej w celu odmycia nadmiaru niezaadsorbowanego surfaktantu. Suszono w suszarce elektrycznej przez 2 godziny w temperaturze 85°C. Z tak zindywidualizowanych MWCNTs przygotowano pastę, tj. do MWCNTs dodano 25 g transparentnej bazy akrylowej SICO SX 150™ oraz 75 ml wody destylowanej. Całość mieszano przez 15 minut w blenderze kielichowym o mocy 800 W przy maksymalnych obrotach.Example of the paste preparation method 2 g of sodium lauryl sulfate (SDS) were dissolved in 300 ml of distilled water. 2 g of MWCNTs were added to the prepared solution (synthesis conditions: 760 ° C, 5.5% ferrocene in toluene, argon flow rate 1.8 l / min, raw material dosing 2.8 ml / h, quartz tube φ = 75 mm, l = 1 m with MWCNTs morphology: l = 250 μm, external = 50 nm) and sonicated for 1 h. The resulting dispersion was filtered under reduced pressure (45 torr) on a G2 funnel and washed with two liters of water distilled to wash off excess unadsorbed surfactant. Dried in an electric dryer for 2 hours at 85 ° C. A paste was prepared from such individualized MWCNTs, i.e. 25 g of SICO SX 150 ™ transparent acrylic base and 75 ml of distilled water were added to the MWCNTs. The whole was mixed for 15 minutes in a 800 W blender blender at maximum speed.

Claims

1. The method of producing a paste for printing electrically conductive coatings by mixing surfactant, carbon nanotubes and water and subjecting the mixture to ultrasound, characterized in that carbon nanotubes are introduced into the mixture after dissolving the surfactant in water, then sonicated for 1 hour and with 480 W ultrasonic power, filter the mixture under

The filtered carbon nanotubes, evenly and equilibrium coated with the surfactant, are washed with distilled water and then dried at 85-90 ° C.

2. The method according to p. The process of claim 1 wherein the surfactant is sodium dodecylbenzene sulfonate.

3. The method according to p. The process of claim 1 wherein the surfactant is sodium lauryl sulfate.