1引言
隨著全球電子行業及相關高新技術的迅猛發展，對導電漿料的導電性能和使用性能要求也越來越高,研究和開發高導電性的水分散體系的導電漿料引起國內外導電漿料行業的極大關注。目前市場普遍使用的大多為導電碳漿,但是單純的碳漿導電性根本滿足不了實際需求,實際上目前所使用的進口導電碳漿均為摻雜特殊組分而得到的混合碳漿,但具體的技術仍屬于商業秘密，關于導電碳漿方面的研究報道極少[1-2]。而我國導電碳漿尚處在空白階段，目前國內市場每月導電碳漿的需求量約120噸，且全部依賴進口。因此，研究開發導電碳漿具有廣闊的市場前景。
納米技術的興起為導電漿料的研究開辟了新的途徑。納米材料由于特殊的結構使得它具有多種獨特的效應,如表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，廣泛應用在陶瓷、光學、電子元器件、催化領域中。其中納米銀優良的導電性已經成為不爭的事實，納米銀粉的導電率比普通銀塊至少高20倍，近年來已在IC、LSI等集成電路得到廣泛應用[3-5]。但是對銀粉的粒度和形貌有嚴格的要求，對于球狀銀粉，只有粒度在納米級才具有良好的導電性，而對于導電性明顯高于片狀和球狀的銀粉，其分散穩定性是保證其導電性充分發揮的前提。此外單組分銀漿由于成本極高，導致其難以規模化生產和廣泛使用。
因此在碳漿中摻雜納米銀可彌補二者的不足，鑒于納米銀的易團聚性，簡單的摻雜或混合顯然難以滿足要求，研究者更關心的是如何采用化學摻雜法來提高碳漿的導電性能[6-8]。在我們的以往研究中發現[9]，納米碳黑的多孔性和吸附性可作為控制納米粒子成核和生長的模板，另外納米碳黑在一定條件下的還原性也為本文的研究提供了諸多有益啟示，通過助劑的選擇和工藝條件的控制，在碳黑中原位摻雜樹枝晶納米銀制備高導電性碳漿是完全可行的。
2實驗
2.1主要實驗儀器及原料
實驗儀器：超聲波清洗器（AS20500ADT，天津奧德賽恩有限公司），馬弗爐5055（上海東風儀器廠），數字萬用表VICTOR88E型（杭州勝利機電設備有限公司），數顯電導率儀（上海天達儀器有限公司）。
實驗原料：國產導電碳黑（市售），進口導電碳黑（美國ACHESON），硝酸銀，水合肼，氨水，環己烷（以上均為分析純），聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯Tween-80，失水山梨醇單油酸酯Span-80，聚乙烯吡咯烷酮PVP，十二烷基苯磺酸鈉LBS（以上均為市售），超分散劑CB-12（上海三正高分子材料有限公司），苯乙烯苯酚聚氧乙烯醚磺酸鹽PES（南京石化）。
2.2實驗步驟
（1）還原劑水合肼存在下摻雜反應：稱取一定量的AgNO3加入到無水乙醇和蒸餾水配制的醇-水體系中，按照一定摩爾比加入氨水配成銀氨溶液，然后將親油性表面活性劑和親水性表面活性劑按一定質量比混合，加入乙醇水溶液，準確稱取一定量的碳黑在超聲波作用下緩慢分散到上述溶液中，形成穩定的水性碳黑分散體系，按照一定的比例加入水合肼，然后將上述銀氨溶液在機械攪拌或超聲作用下逐滴加入到上述含水合肼的碳黑分散體系中，滴加完畢后，繼續攪拌一定時間，即得納米銀摻雜導電碳漿。將導電碳漿陳化12h后過濾，并用蒸餾水和乙醇洗滌數次，得到納米銀摻雜導電碳粉，在馬弗爐中于450℃下煅燒30min去除碳，得到單質納米銀。
（2）無還原劑水合肼存在下摻雜反應：除碳黑分散體系中不加水合肼外，其它步驟同上。
2.3性能測試
對摻雜導電碳漿采用以下方法進行分析：采用英國Malvern公司Zetasizer 3000 HS型粒度儀、日立H-600透射電子顯微鏡檢測漿液中粒子的粒徑分布和形貌，采用電導率測試碳漿的電阻率或電導率。
對導電碳粉采用以下方法進行分析:采用日本理學公司生產的D/Max-ⅢB型X衍射儀進行晶相分析，衍射靶為CuKα（λ=0.15418nm），管電壓為40kV，管電流100mA。采用日立H-600透射電子顯微鏡檢測粉體形貌。采用LFY-4B織物感應靜電測試儀測試經過碳漿整理后織物的抗靜電效果。采用微歐計測粉體的電阻率。
3結果與討論
3.1不同摻雜方式對碳漿導電率的影響
本實驗考察了超聲波作用、機械攪拌作用、以及超聲波和機械攪拌協同作用在有無還原劑水合肼參與下摻雜對碳漿導電性能的影響,同時對無碳黑也無還原劑水合肼參與下超聲波作用也進行了研究。在摻雜實驗中,AgNO3濃度為16.7g/L，碳黑濃度為2 g/L，AgNO3與NH3摩爾比為1：3，AgNO3與N2H4摩爾比為2：3，混合表面活性劑M（親水親油表面活性劑按一定比例混合）濃度為5g/L，超聲頻率為40kHz，超聲功率為300W,攪拌速度800r/min,滴定時間30min,總反應時間60min,采用氯化鉀溶液判斷反應后Ag+的殘余量，以此判斷AgNO3的反應完全性,表1所示為不同條件下制得碳漿的電導率以及AgNO3的反應完全性。為了便于比較,實驗也分別測試了未摻雜碳漿以及進口導電碳漿的電導率。
從表1中可以看出，單純的機械攪拌（序號3）和單純的超聲波作用（序號8）均不能還原AgNO3，這說明超聲波只有在碳黑協同作用下才能對AgNO3進行還原，而碳黑也只有和超聲波協同作用才能具有還原作用，序號3和序號8中碳漿導電性的略有增加主要是AgNO3本身的電離作用；比較序號4和序號6可以看出，有還原劑水合肼存在下，超聲波比機械攪拌能明顯增加導電率，這主要是超聲波的分散作用所致，形成了均一穩定的反應場，同時控制了所生成納米粒子的團聚。比較序號5和序號6可以看出，在超聲波作用下有無還原劑水合肼存在對導電率有較大影響，無還原劑水合肼存在時導電率增加幅度較大，從反應進行的程度來看，單純超聲波作用下尚有微量AgNO3未反應，因此導電率的增加并不是反應進行程度決定的，極有可能是不同條件下單質銀的晶形不同所致，這將在后面分析中進一步予以證實。序號7表明，超聲波與機械攪拌協同作用可促使AgNO3反應完全，電導率也有顯著增加。但考慮超聲波與機械攪拌同時作用的可操作性不強，以下實驗中不再考慮。
表1不同摻雜方式對碳漿導電性能的影響
序號 | 摻雜方式 | 電導率×10-3Ω.cm | Ag+殘余量 |
1 | 進口導電碳漿 | 7.85 | |
2 | 未摻雜碳漿 | 1.84 | |
3 | 機械攪拌（無還原劑水合肼） | 2.37 | 大量 |
4 | 機械攪拌（有還原劑水合肼） | 5.66 | 無 |
5 | 超聲波作用（無還原劑水合肼） | 10.24 | 微量 |
6 | 超聲波作用（有還原劑水合肼） | 8.96 | 無 |
7 | 超聲波作用+機械攪拌 （無還原劑水合肼） | 11.76 | 無 |
8 | 超聲波作用 （無還原劑水合肼，無碳黑） | 2.02 | 大量 |
3.2不同摻雜方式對碳漿中粒子形貌和粒徑的影響
為了進一步研究不同摻雜方式中單質銀的生長過程和分形聚集機理，實驗采用透射電鏡和粒度分析儀對摻雜碳漿及摻雜導電碳粉的形貌和大小進行了微觀分析，結果如圖1和圖2所示。
從圖1可以看出，在摻雜過程中還原劑水合肼的參與對碳漿中粒子形貌有重要的影響，當有水合肼作用時，摻雜碳漿中粒子均呈球形或類球形分布，而沒有水合肼作用的碳漿中粒子主要呈現樹枝狀結構，少量呈球狀，前者為納米銀粒子的聚集體，后者可能是無定形碳黑的聚集體以及少量球狀納米銀。另外從圖1并結合實驗現象可以看出，機械攪拌下粒子團聚極為明顯，放置1小時就出現明顯分層，而超聲波作用下粒子分布比較均勻，團聚極少，具有較好的分散穩定性，放置一個月基本無分層現象。這也解釋了表1中序號6導電性強的原因。從圖1（d）可以看出，煅燒去除碳黑后細小的粒子消失，納米銀樹枝晶變得粗壯。
圖2的激光粒度分析結果和透射電鏡結果基本一致，但是由于激光粒度分析所測結果為二次粒子的粒徑分布，因此粒度大小均較透射電鏡大，但規律和透射電鏡一致，機械攪拌下所得碳漿平均粒度較大，出現二個極明顯的峰（如圖2a），而且峰形較寬，而有還原劑水合肼存在下超聲波摻雜所得碳漿平均粒度小（如圖2c），平均粒徑為51.2nm，而且分布非常窄，這和透射電鏡結果一致。這也可以用來解釋表1所示超聲波作用后導電性增加的原因，當納米呈現球形時，晶粒越小，導電性越好。從圖2d可以看出，無還原劑水合肼存在下超聲波摻雜所得碳漿平均粒度較大，也有兩個峰，可能是樹枝晶的大小不一所造成的，而煅燒去除碳黑后納米銀的粒子平均粒度有所增加。
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