一种强触变性喷墨打印墨水及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种强触变性喷墨打印墨水及其制备方法，以微米级单质粉末为原料，与溶剂、触变型抗沉降剂以特定的比例混合，经过搅拌处理后静置一段时间，得到该强触变性喷墨打印墨水。本发明专利技术采用触变型防沉剂作为唯一添加剂应用于喷墨式墨水，其主要特点是采用微米级单质粉末，除粉末外非挥发分少，储存时喷墨墨水在触变型防沉剂的作用下形成以氢键连接的固态凝胶防止沉降，在喷墨打印时高剪切力的作用下又变成低粘度流体具有良好的打印适性，流体↔固态凝胶转变速度快，适合用于合成高通量材料样品库。

【技术实现步骤摘要】
一种强触变性喷墨打印墨水及其制备方法
本专利技术属于喷墨式墨水制备
，具体涉及一种强触变性喷墨打印墨水及其制备方法。
技术介绍
高通量实验是材料基因组计划的三大平台之一，可以通过一次性大批量制备覆盖多元相区的样品库并高通量表征为材料数据库提供大量数据，加快新材料的发现速度。不同材料的制备方法和需要表征的参数也各不相同，为各类材料设计相应的高通量合成和表征方法是材料基因组计划的长期目标。对于热电材料而言，由于受到量子限域效应的影响，薄膜样品库无法完全代表块体样品库的热电性能，无法采用现在主流的薄膜高通量制备技术(例如共沉积镀膜法、分立模板镀膜法等)，发展一套快速、高效、准确形成成分梯度的薄层高通量制备技术对于热电材料的快速发展至关重要。采用喷墨打印或是选区激光熔融技术制备热电材料已有报道，通过喷墨打印进行悬浮液墨水的选择性沉积可以快速形成具有成分梯度的粉层，结合选区激光熔融技术可以实现粉层的快速致密化。选区激光熔融技术典型的单层厚度在几十微米左右，经过多次堆叠即可形成薄层样品库。想要实现喷墨打印结合选区激光熔融技术高通量制备薄层样品库的关键在于墨水的制备，需要墨水具有以下特性：1.对于粉末颗粒，要求是微米级的多种单质粉末。微米级的粉末适合选区激光熔融技术，多种单质粉末能保证样品库可以完整覆盖相区；2.对于溶剂，要求是以醇系溶剂为主的混合溶剂。溶剂需要挥发速度适宜，且不与单质粉末反应，因此选择以醇系溶剂为主的混合溶剂；3.对于添加剂，要求不挥发份少，能够在激光处理后尽可能无残留；4.对于墨水整体的流变特性，要求既能够满足在喷射时低粘度保证墨水可以顺利喷出，又要保证墨水不管是在使用时还是储存时都能防止粉末沉降，保证成分均匀。铜、银等单质导电墨水已有大量成熟的研究，墨水可以保持长时间稳定，通过热处理可以得到致密度较高的薄膜或薄层。但是，墨水的粉末粒径大多在亚微米级别，且对于铜这类易氧化粉末常常需要进行繁琐的防氧化处理。微米级粉末悬浮液已有报道，但是要保证粉末在介质中长时间稳定分散却很难。这是因为粉末颗粒在分散介质中主要受重力和扩散力作用，当沉降位移与均方扩散位移大致相当时，体系保持稳定。根据Stokes沉降公式和均方扩散位移的爱因斯坦方程可知，当2000g·cm-3的颗粒在水中分散时，其临界粒径大概在1.2μm。因此，仅在分散剂的作用下，对于微米级或更大的粗分散体系，很难保证长时间的分散稳定。虽然各类防沉剂已经被用于涂料和喷墨墨水领域，但一般是针对亚微米级粉末(≤100nm)，且是作为分散剂的补充少量添加，其作用是提高分散介质粘度，提高体系稳定性。目前，现有技术中仅采用触变型防沉剂作为添加剂制备强触变墨水还未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种强触变性的喷墨打印墨水及其制备方法。该墨水可长时间保持稳定，具有良好的打印适性，除粉末颗粒外非挥发分少，且涉及的制备方法简单、制备时间短。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：一种强触变性喷墨打印墨水，包括单质粉末、溶剂、触变型抗沉降剂；所述单质粉末的体积百分比0.5～20％，所述溶剂的体积百分比为75～98％，所述触变型抗沉降剂的体积百分比为1.5～5％。按上述方案，所述单质粉末为不与溶剂反应的单质粉末，包括但不限于Pb粉、Bi粉、Mg粉、Mn粉、S粉、Se粉、Te粉等中的一种。按上述方案，所述单质粉末粒径为微米级，包括但不限于1μm～150μm。按上述方案，所述溶剂由主溶剂和辅助溶剂组成。其中，所述主溶剂为具有伯羟基的醇系溶剂，包括但不限于甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇等中的一种或几种，占溶剂总体积75～100％，作用是与触变型抗沉降剂反应产生触变性；所述辅助溶剂为一种或多种具有羟基的醇系或醇醚系溶剂，包括但不限于乙二醇、丙三醇、乙二醇丙醚、三乙二醇甲醚等中的一种或几种，占溶剂总体积0～25％，作用是调节粘度和表面张力，消除咖啡环效应。按上述方案，所述触变型抗沉降剂为聚脲触变型流变助剂，包括但不限于BYK-420、DA-420等中的一种。本专利技术提供了一种强触变性喷墨打印墨水的制备方法，包括以下步骤：1)称取适量的单质粉末，得到所述粉末；2)根据前述比例配置主溶剂和辅助溶剂，得到所述溶剂；3)将步骤1)和2)中所述的粉末和溶剂混合，边搅拌边加入所述触变型抗沉降剂，加入完毕后再持续搅拌一段时间；静置后得到所述强触变性喷墨打印墨水。进一步地，步骤1)中，所述单质粉末在手套箱中称量，纯度不低于99.9％。优选地，所述粉末粒径为1μm～12.5μm。进一步地，步骤3)中，所述搅拌工艺为机械搅拌或磁力搅拌，搅拌速率大于360rpm，持续搅拌时间为0.5～2小时，静置时间为4～24小时。进一步地，步骤1)中单质粉末可以是Pb粉、Bi粉、Mg粉、Mn粉、S粉、Se粉、Te粉等中的一种。进一步地，步骤2)主溶剂可以选择甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇等具有伯羟基的醇系溶剂，所占总体积比例为75～100％，辅助溶剂可以选择乙二醇、丙三醇、乙二醇丙醚、三乙二醇甲醚等具有羟基的醇系或醇醚系溶剂，所占总体积比例为0～25％。进一步地，所述触变型抗沉降剂可以选择BYK-420或DA-420。以上述内容为基础，在不脱离本专利技术基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更。本专利技术首次采用触变型防沉剂作为唯一添加剂制备微米级单质粉末喷墨打印墨水，采用相对高的添加量(1.5～5vol％)，赋予墨水强触变性。这种强触变性使墨水在喷射时在高剪切速率作用下可以由固态凝胶变为低粘度流体，顺利从喷嘴喷射，剪切作用停止时又可以较正常添加量(0.3～1.5vol％)更快在几秒时间内回复成固态凝胶，使微米级的粉末停止沉降，墨水体系保持稳定，保证了墨水喷射时成分稳定。本专利技术为快速、准确、高效制备高通量材料样品库提供了基础，有利于加速热电材料领域新材料的发现和快速应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)与传统的铜、银等单质导电墨水相比，本专利技术采用了微米级的单质粉体，一方面避免了繁琐的防氧化处理，一方面更加适合于选区激光熔融处理。2)与传统的微米级粉末悬浮液墨水相比，本专利技术通过强触变性保证墨水体系长时间稳定不沉降。仅仅采用分散剂的微米悬浮液墨水需要在外力作用下(如搅拌)才能保证成分均匀，本专利技术通过加入触变型防沉剂使墨水在喷射时在高剪切速率作用下转变为低粘度流体，无剪切作用时又转变为固态凝胶，保证了墨水体系的长时间稳定。3)与少量添加防沉剂或触变型防沉剂的墨水相比，本专利技术采用相对高剂量的触变型防沉剂作为唯一添加剂，墨水在使用时更容易保持成分均匀，且激光处理后残留少。一般的防沉剂是通过增加墨水粘度提高墨水稳定性，但是对于微米级粉末仅仅是减缓墨水的沉降速度；触变型防沉剂是通过墨水的流体固态凝胶转变防止墨水沉降，其添加量影响转变速度，较高剂量的添加可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种强触变性喷墨打印墨水，其特征在于，原料包括单质粉末、溶剂、触变型抗沉降剂；所述单质粉末为不与溶剂反应的单质粉末，所述触变型抗沉降剂为聚脲触变型流变助剂；所述溶剂由主溶剂和辅助溶剂组成，主溶剂为一种或多种具有伯羟基的醇系溶剂，辅助溶剂为一种或多种具有羟基的醇系或醇醚系溶剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种强触变性喷墨打印墨水，其特征在于，原料包括单质粉末、溶剂、触变型抗沉降剂；所述单质粉末为不与溶剂反应的单质粉末，所述触变型抗沉降剂为聚脲触变型流变助剂；所述溶剂由主溶剂和辅助溶剂组成，主溶剂为一种或多种具有伯羟基的醇系溶剂，辅助溶剂为一种或多种具有羟基的醇系或醇醚系溶剂。


2.根据权利要求1所述的强触变性喷墨打印墨水，其特征在于，各原料按体积百分比计为：单质粉末0.5~20%，溶剂75~98%，触变型抗沉降剂1.5~5%。


3.根据权利要求1所述的强触变性喷墨打印墨水，其特征在于，所述单质粉末包括但不限于Pb粉、Bi粉、Mg粉、Mn粉、S粉、Se粉、Te粉中的一种。


4.根据权利要求3所述的强触变性喷墨打印墨水，其特征在于，所述单质粉末粒径为1μm~150μm。


5.根据权利要求1所述的强触变性喷墨打印墨水，其特征在于，所述主溶剂占...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐新峰，姚磊，鄢永高，王浩，邱俊豪，张健，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42