通过PVB分子量工程优化电子浆料的丝网印刷质量：一种基于Carreau-Yasuda模型的指导策略

《Materials Today Communications》：Optimizing screen-printing quality of electronic pastes via PVB molecular weight engineering: A Carreau-Yasuda model guided strategy

电子浆料印刷性能受PVB分子量影响，基于Carreau-Yasuda模型分析发现铝浆料在60k分子量时综合性能最优（n=0.02983，a=0.8745），铜浆料在30k分子量表现最佳，通过流变测试、NMR弛豫时间分析（T?=48.3ms）和印刷形貌评价揭示分子量与流变行为、分散性、屈服应力及印刷线宽比的关系。

　　随着电子技术的迅速发展，电子浆料作为制造电子器件的重要材料，其性能直接决定了器件的电气特性和加工效率。电子浆料通常由金属粉末（如铝、铜和银）、有机载体以及添加剂组成。其中，有机载体不仅作为分散介质，还承担着粘合剂的功能，对浆料的流变特性、分散稳定性、结构完整性以及印刷性能具有决定性影响。不同的金属基浆料在实际应用中表现出不同的特性：银浆料因其优异的导电性和化学稳定性，广泛应用于高端电子器件和光伏电极，但其较高的成本成为应用受限的主要因素；铜浆料则由于其导电性能接近银浆料且成本显著较低，被视为一种有前景的替代材料，但其氧化问题限制了其应用范围；而铝浆料主要用于屏蔽涂层和某些光伏电极，具有良好的抗氧化性，但其导电性能相对较低。因此，根据具体应用需求优化电子浆料的配方，成为提升其性能的关键，而印刷性能是决定最终薄膜质量和器件性能的重要因素之一。

在电子浆料的印刷过程中，常见的缺陷如毛刺、边缘模糊和线断裂等，会严重影响图案的精确性和功能的稳定性。因此，进一步研究浆料的印刷性能显得尤为重要。本研究采用Carreau–Yasuda模型，探讨不同分子量的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）作为粘合剂对多种电子浆料印刷性能的影响。通过流变测试、Carreau–Yasuda模型拟合、核磁共振（NMR）弛豫时间分析以及印刷形态评估等方法，揭示了PVB分子量、流变行为与印刷性能之间的关系。研究发现，Carreau–Yasuda模型中的幂律指数（n）和过渡宽度参数（a）共同影响浆料的流变行为和印刷性能。当PVB的分子量约为60k时，n值为0.02983，a值为0.8745，所制备的铝浆料表现出最佳的综合性能，包括良好的触变性、最佳的分散性（T? = 48.3 ms）、最高的屈服应力（819.6 Pa）、最宽的韧性应力窗口（TSW）以及最大的印刷线条平均长宽比（0.417）。对于铜浆料，由于铜粉表面形貌的影响，最佳印刷效果出现在PVB分子量约为30k的情况下。

本研究不仅为电子浆料的配方设计提供了理论依据，还为工业生产中的粘合剂选择和工艺优化提供了实用指导。通过系统地研究PVB分子量对电子浆料流变特性、分散稳定性及印刷形态的影响，为电子浆料的性能提升提供了新的视角。同时，本研究中采用的Carreau–Yasuda模型在分析非牛顿流体的剪切速率依赖性粘度方面表现出色，特别适用于描述剪切稀化（假塑性）流体的行为。该模型能够有效模拟非牛顿流体在不同剪切速率下的粘度变化和流变行为，有助于评估其在聚合物加工、丝网印刷和喷墨打印等过程中的适用性。例如，流变曲线的测量可以用于评估电子浆料的储存稳定性、运输性和印刷性能。

在实际应用中，不同类型的电子浆料对印刷工艺的要求也有所不同。例如，在太阳能电池中，电子浆料需要形成具有高长宽比的印刷线条，以确保良好的导电性和电流收集效率。而在柔性电子和高密度电路中，则需要浆料具备优异的流平性能，以实现均匀且致密的导电薄膜。此外，浆料的粘度、屈服应力、剪切稀化行为以及瞬时恢复能力都会显著影响印刷图案的质量。因此，针对不同印刷需求优化有机载体的流变特性、粘合剂的网络结构以及固体含量比例，成为提升电子浆料性能的重要研究方向之一。

本研究中，通过一系列实验手段对有机载体的制备和性能进行了深入分析。首先，对有机载体的制备过程进行了详细描述，包括将粘合剂、触变剂、有机溶剂和添加剂加入烧杯中，在水浴温度为80°C的条件下以1200 rpm的速度搅拌2小时，直至固体粉末完全溶解并形成均匀的溶液。随后，将制备好的溶液自然冷却至室温后使用。实验中使用的有机载体H1至H5分别采用了分子量约为10–15k、15–20k、40–50k、50–60k和更高范围的PVB作为粘合剂。通过对比不同分子量PVB的性能，可以更全面地了解其对电子浆料流变特性和印刷性能的影响。

在选择有机溶剂时，考虑了PVB在不同溶剂中的溶解性，这是选择合适溶剂的关键标准之一。为此，我们制备了含有2 wt% PVB（最低分子量为PVB-A，最高分子量为PVB-E）的九种不同有机溶剂的溶液。如图S1和图S2所示，除了溶剂S3和S7外，其余七种溶剂均能很好地溶解低分子量和高分子量的PVB，形成清晰且透明的溶液。对于PVB-A，其在某些溶剂中的溶解性较好，但在其他溶剂中可能表现出不同的行为，这需要进一步研究。通过实验可以发现，不同的溶剂对PVB的溶解能力存在差异，这种差异直接影响浆料的流变特性和印刷性能。

通过实验数据分析，可以发现PVB的分子量对其流变行为和印刷性能具有显著影响。当PVB的分子量较低时，浆料的粘度可能较高，而其触变性和屈服应力可能相对较弱，这可能导致印刷过程中出现更多的缺陷，如毛刺或线条断裂。相反，当PVB的分子量较高时，虽然其粘度可能降低，但其触变性和屈服应力可能增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。然而，过高的分子量可能导致浆料的流动性下降，影响其在印刷过程中的适用性。因此，选择合适的PVB分子量，是优化电子浆料印刷性能的关键。

在本研究中，通过综合分析不同分子量PVB对电子浆料的影响，发现当PVB的分子量约为60k时，所制备的铝浆料表现出最佳的综合性能。这包括良好的触变性、最佳的分散性、最高的屈服应力、最宽的韧性应力窗口以及最大的印刷线条平均长宽比。这些性能的优化不仅提高了铝浆料的印刷质量，还增强了其在实际应用中的稳定性。相比之下，铜浆料的最佳印刷效果出现在PVB分子量约为30k的情况下，这可能与铜粉的表面形貌有关，因为不同形状和大小的铜粉颗粒在印刷过程中可能表现出不同的行为。

此外，NMR弛豫时间分析进一步揭示了PVB分子量对浆料分散性的影响。通过测量不同浆料的弛豫时间（T?），可以评估其分散状态和稳定性。研究发现，当PVB的分子量较高时，浆料的弛豫时间较长，这表明其分散性较好，而当分子量较低时，弛豫时间较短，可能意味着其分散性较差。因此，PVB的分子量不仅影响浆料的流变特性，还对其分散稳定性具有重要影响。

在实际应用中，电子浆料的印刷性能不仅取决于其流变特性，还受到多种因素的影响，如印刷速度、压力、温度以及印刷基材的性质。因此，针对不同印刷需求优化电子浆料的配方，是提升其性能的关键。通过实验可以发现，不同分子量的PVB对浆料的流变特性、分散稳定性以及印刷性能具有不同的影响。例如，当PVB的分子量较低时，浆料的粘度可能较高，但其触变性和屈服应力可能相对较弱，这可能导致印刷过程中出现更多的缺陷。相反，当PVB的分子量较高时，虽然其粘度可能降低，但其触变性和屈服应力可能增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。

综上所述，本研究通过系统地研究PVB分子量对电子浆料的影响，揭示了其对流变特性、分散稳定性以及印刷性能之间的关系。通过实验可以发现，选择合适的PVB分子量，不仅能够优化浆料的流变行为，还能在粘度和流动性之间取得平衡，从而提高电子浆料的印刷性能。同时，本研究中采用的Carreau–Yasuda模型在分析非牛顿流体的剪切速率依赖性粘度方面表现出色，为电子浆料的性能评估和工艺优化提供了重要的理论支持。

通过本研究的成果，可以为电子浆料的配方设计和工业应用提供重要的指导。在实际生产中，选择合适的粘合剂和溶剂，优化浆料的流变特性，是提升其印刷性能的关键。此外，通过实验可以发现，不同类型的电子浆料对粘合剂的要求也有所不同。例如，铝浆料需要具有较高的屈服应力和良好的触变性，以确保印刷线条的均匀性和稳定性。而铜浆料则需要在较低的分子量范围内进行优化，以实现更好的印刷效果。因此，针对不同应用需求，选择合适的PVB分子量，是提升电子浆料性能的重要策略。

本研究的结果表明，PVB分子量的优化不仅能够提高电子浆料的流变性能，还能改善其分散稳定性和印刷性能。通过实验可以发现，当PVB的分子量较高时，浆料的屈服应力和触变性显著增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。然而，过高的分子量可能导致浆料的流动性下降，影响其在印刷过程中的适用性。因此，在选择PVB分子量时，需要在粘度和流动性之间取得平衡，以确保电子浆料在不同应用中的最佳性能。

在工业生产中，电子浆料的印刷性能不仅影响最终产品的质量，还直接影响生产效率和成本。因此，优化电子浆料的配方，使其具备良好的印刷性能，是提升其应用价值的关键。通过本研究的成果，可以为电子浆料的配方设计和工艺优化提供重要的理论依据和实践指导。此外，本研究还强调了不同金属基浆料对粘合剂和溶剂的不同需求，这为电子浆料的个性化设计提供了参考。

通过实验可以发现，不同分子量的PVB对电子浆料的流变行为和印刷性能具有不同的影响。当PVB的分子量较低时，浆料的粘度较高，但其触变性和屈服应力可能相对较弱，这可能导致印刷过程中出现更多的缺陷。相反，当PVB的分子量较高时，虽然其粘度可能降低，但其触变性和屈服应力可能增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。然而，过高的分子量可能导致浆料的流动性下降，影响其在印刷过程中的适用性。因此，在选择PVB分子量时，需要综合考虑其对浆料流变特性和印刷性能的影响。

在实际应用中，电子浆料的印刷性能不仅影响最终产品的质量，还直接影响生产效率和成本。因此，优化电子浆料的配方，使其具备良好的印刷性能，是提升其应用价值的关键。通过本研究的成果，可以为电子浆料的配方设计和工艺优化提供重要的理论依据和实践指导。此外，本研究还强调了不同金属基浆料对粘合剂和溶剂的不同需求，这为电子浆料的个性化设计提供了参考。

本研究的结论表明，PVB分子量的优化不仅能够提高电子浆料的流变性能，还能改善其分散稳定性和印刷性能。通过实验可以发现，当PVB的分子量较高时，浆料的屈服应力和触变性显著增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。然而，过高的分子量可能导致浆料的流动性下降，影响其在印刷过程中的适用性。因此，在选择PVB分子量时，需要综合考虑其对浆料流变特性和印刷性能的影响。

通过实验可以发现，不同分子量的PVB对电子浆料的流变行为和印刷性能具有不同的影响。当PVB的分子量较低时，浆料的粘度较高，但其触变性和屈服应力可能相对较弱，这可能导致印刷过程中出现更多的缺陷。相反，当PVB的分子量较高时，虽然其粘度可能降低，但其触变性和屈服应力可能增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。然而，过高的分子量可能导致浆料的流动性下降，影响其在印刷过程中的适用性。因此，在选择PVB分子量时，需要综合考虑其对浆料流变特性和印刷性能的影响。

本研究的成果表明，PVB分子量的优化不仅能够提高电子浆料的流变性能，还能改善其分散稳定性和印刷性能。通过实验可以发现，当PVB的分子量较高时，浆料的屈服应力和触变性显著增强，这有助于形成更均匀的印刷线条。然而，过高的分子量可能导致浆料的流动性下降，影响其在印刷过程中的适用性。因此，在选择PVB分子量时，需要综合考虑其对浆料流变特性和印刷性能的影响。

综上所述，本研究通过系统地研究PVB分子量对电子浆料的影响，揭示了其对流变特性、分散稳定性以及印刷性能之间的关系。通过实验可以发现，选择合适的PVB分子量，不仅能够优化浆料的流变行为，还能在粘度和流动性之间取得平衡，从而提高电子浆料的印刷性能。同时，本研究中采用的Carreau–Yasuda模型在分析非牛顿流体的剪切速率依赖性粘度方面表现出色，为电子浆料的性能评估和工艺优化提供了重要的理论支持。