Dispersión que contiene nanopartículas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal, un dispersante polimérico y un aditivo de sinterización.

Composición que comprende: - una dispersión que comprende a) nanopartículas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal, b) un dispersante polimérico

(PD) que comprende (i) una cadena principal de poliacetal o una cadena principal de poliacetal/poliéter y (ii) un grupo de anclaje que presenta afinidad con las nanopartículas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal y que está enlazado químicamente a dicha cadena principal de poliacetal o dicha cadena principal de poliacetal/poliéter, teniendo dicho PD una descomposición del 95% en peso a una temperatura inferior a 300-C, c) un medio de dispersión opcional, y

- un aditivo de sinterización (SA), caracterizado porque el SA es un ácido dicarboxílico según la fórmula HOOC-Xa-COOH, en la que a es 0 ó 1 y X representa un grupo alquileno C1-C3 opcionalmente sustituido.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11194790.

Solicitante: AGFA-GEVAERT..

Nacionalidad solicitante: Bélgica.

Dirección: IP DEPARTMENT 3622 SEPTESTRAAT 27 2640 MORTSEL BELGICA.

Inventor/es: André,Xavier, BOLLEN,DIRK.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COLORANTES; PINTURAS; PULIMENTOS; RESINAS NATURALES;... > COMPOSICIONES DE REVESTIMIENTO, p. ej. PINTURAS,... > C09D11/00 (Tintas)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > CABLES; CONDUCTORES; AISLADORES; ,o EMPLEO DE MATERIALES... > Conductores o cuerpos conductores caracterizados... > H01B1/20 (Material conductor disperso en un material orgánico no conductor)

PDF original: ES-2485308_T3.pdf

 

google+ twitter facebook

Fragmento de la descripción:

Dispersión que contiene nanoparticulas metálicas de óxido de metal o de precursor de metal un dispersantepolimérico y un aditivo de sinterización

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención hace referencia a composiciones que comprenden una dispersión conductora y un ácido carboxílico específico como aditivo de sinterización que permite una reducción del tiempo de curado y/o una disminución de la temperatura de curado cuando se aplica sobre un sustrato.

La presente invención también hace referencia a un proceso para preparar tales composiciones, a capas o patrones aplicados preparados a partir de tales composiciones y a procesos de curado de estas capas o patrones aplicados.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El interés por las nanoparticulas metálicas ha aumentado en las últimas décadas gracias a sus excepcionales propiedades comparadas con las propiedades genéricas de un metal determinado. Por ejemplo, el punto de fusión de las nanoparticulas metálicas decrece a medida que se reduce el tamaño de partícula, lo que hace que sean de interés para aplicaciones electroquímicas, ópticas, magnéticas, biológicas y de electrónica impresa.

La producción de nanodispersiones metálicas estables y concentradas que puedan aplicarse o imprimirse, por ejemplo, por impresión por inyección de tinta, con un alto rendimiento total es muy interesante ya que permite la fabricación a bajo coste de dispositivos electrónicos.

La preparación de nanodispersiones metálicas suele llevarse a cabo en agua o disolventes orgánicos por la metodología de síntesis de poliol (come se da a conocer en la publicación Mat. Chem. Phys. 114, 549-555), por un derivado de la metodología de síntesis de poliol o por reducción in-situ de sales metálicas en presencia de varios agentes de reducción. Tales métodos se dan a conocer, por ejemplos, en los documentos US 2010143591, US 2009142482, US 20060264518 y US 20080220155, EP-A 2147733, EP-A 2139007, EP-A 803551, EP-A 2012952, EP-A 2030706, EP-A 1683592, EP-A 166617, EP-A 2119747, EP-A 2087490 y EP-A 2010314, WO 2008/151066, WO 2006/076603, WO 2009/152388 y WO 2009/157393.

Un inconveniente importante, entre otros, es la dilución de nanodispersiones metálicas, normalmente de menos de un 1% en peso de partículas metálicas. Es más, no pueden emplearse directamente nanodispersiones metálicas tan diluidas para preparar un recubrimiento conductor o un líquido de impresión que requiera al menos un 5% en peso de nanoparticulas metálicas basado en su composición. Por lo tanto, se necesita una etapa adicional de concentración de las nanodispersiones metálicas diluidas antes de que puedan usarse en la preparación de tales líquidos de recubrimiento o de impresión.

El documento WO 2006/072959 da a conocer la producción de dispersiones de nanoparticulas de plata de hasta un 35% en peso de agua, pero el método todavía requiere unas etapas adicionales de purificación y de aislamiento, lo que limita drásticamente su industrialización y el alcance de sus aplicaciones.

Una nanodispersión metálica normalmente comprende nanoparticulas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal, un dispersante polimérico y opcionalmente un medio de dispersión. El dispersante polimérico es una sustancia que fomenta la formación y estabilización de una dispersión de partículas en un medio de dispersión. Las partículas dispersadas pueden tender a reaglomerarse tras la dispersión como consecuencia de las fuerzas de atracción mutua. La utilización de dispersantes contrarresta esta tendencia a la reaglomeración de las partículas. El dispersante debe cumplir requisitos particularmente exigentes cuando se usa para líquidos de recubrimiento y tintas de impresión. Las dispersiones inestables pueden dar lugar a una separación de fases irreversible, lo que provocaría, entre otras cosas, la obturación de los cabezales de recubrimiento o de impresión, que normalmente tienen un diámetro de unos pocos micrómetros. Además, en los períodos de espera del sistema, debe evitarse la aglomeración de las partículas metálicas y la obstrucción de los cabezales de recubrimiento/impresión asociada con ella.

En el caso de las dispersiones de nanoparticulas metálicas, su tendencia a reaglomerarse, a flocular o a precipitar (dando lugar a una separación de fases) se ve incrementada por su elevada densidad aparente (p) en comparación con la de otras partículas orgánicas o inorgánicas tales como pigmentos orgánicos (p = 1,2-2,0 g/cm3), pigmentos inorgánicos (p = 4,2 g/cm3 para el dióxido de titanio) o un relleno inorgánico (p = 4,4 g/cm3 para el sulfato de bario). Por ejemplo, las densidades aparentes a temperatura ambiente de la plata, del cobre y del oro son, respectivamente, 10,49, 8,94 y 19,30 g/cm3

Los dispersantes poliméricos contienen típicamente en una parte de la molécula grupos denominados de anclaje que se adsorben a las partículas metálicas que van a dispersarse. En una parte espacialmente separada de la molécula, los dispersantes poliméricos tienen cadenas poliméricas que son compatibles con el medio de dispersión (o el

vehículo líquido) y todos los ingredientes que están presentes en los líquidos de recubrimiento o impresión finales. Entre los dispersantes poliméricos típicos se incluyen homopolfmeros o copolímeros aleatorios o de bloque de varias topologías y arquitecturas (lineales, de injerto, hiperramificados).

Las dispersiones de nanopartículas metálicas suelen comprender dispersantes poliméricos seleccionados entre homopolfmeros y copolímeros basados en ácido acrílico, ácido metacrílico, vinil pirrolidinona, butiral de vinilo, acetato de vinilo o alcohol vindico.

En el documento EP-A 2147733 se da a conocer un método para producir una tinta de plata a partir de una dispersión que contiene un dispersante polimérico que contiene un segmento hidrófilo y una cadena de imina de polialquileno.

En el documento US 2009/0242854 se describen compuestos para mejorar la estabilidad de tintas metálicas conductoras que comprenden nanopartículas metálicas, un dispersante polimérico y un disolvente, en el que el punto de ebullición respectivo puede ser inferior a 150°C. Los polímeros pueden tener un grupo de cabeza y un grupo cola sobre una nanopartfcula, pudiendo el grupo de cabeza incluir compuestos tales como aminas, grupos alquilamonio catiónicos, ácidos carboxílicos, ácidos sulfónicos y grupos ácido fosfórico. En la dispersión también puede haber presentes otros aditivos tales como sulfóxido de dimetilo y oxi-bis-etanol. A algunas de las tintas se les añadieron compuestos tales como BYK-349, BYK-DYNWET800, etosulfato de etilimidazolinio de isoestearilo y alcoholes a fin de fomentar buenas propiedades de humectación y propiedades de adhesión.

En el documento EP-A 10196244.7 (presentado el 21-12-2010) se describe una tinta conductora que comprende nanopartículas metálicas y un dispersante polimérico que comprende un grupo de anclaje que presenta afinidad con las nanopartículas metálicas, en la que la cadena principal polimérica tiene una descomposición del 95% en peso a una temperatura inferior a 300°C, lo que permite su uso en procesos de impresión a temperaturas de curado más bajas.

Las nanodispersiones metálicas se utilizan para aplicar o imprimir patrones metálicos sobre un sustrato. Tras la aplicación de los patrones sobre el sustrato, generalmente se lleva a cabo una etapa de sinterización (también denominada etapa de curado) a elevadas temperaturas para inducir/mejorar la conductividad. Se ha descubierto que los componentes orgánicos de las nanodispersiones, por ejemplo, los dispersantes poliméricos, pueden reducir la eficacia de la sinterización y, por tanto, la conductividad... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Composición que comprende:

- una dispersión que comprende a) nanoparticulas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal, b) un dispersante polimérico (PD) que comprende (i) una cadena principal de poliacetal o una cadena principal de poliacetal/poliéter y (ii) un grupo de anclaje que presenta afinidad con las nanoparticulas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal y que está enlazado químicamente a dicha cadena principal de poliacetal o dicha cadena principal de poliacetal/poliéter, teniendo dicho PD una descomposición del 95% en peso a una temperatura inferior a 300°C, c) un medio de dispersión opcional, y

- un aditivo de sinterización (SA), caracterizado porque el SA es un ácido dicarboxílico según la fórmula HOOC-Xa-COOH, en la que a es 0 ó 1 y X representa un grupo alquileno C1-C3 opcionalmente sustituido.

2. Composición según la reivindicación 1, en la que el SA es un ácido dicarboxílico según la fórmula HOOC-(CH2)b-COOH, en la que b es 0, 1, 2 ó 3.

3. Composición según las reivindicaciones 1 ó 2, en la que el SA es ácido oxálico o ácido malónico.

4. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la concentración de SA, expresada como la proporción en peso de SA a PD, varía entre 0,6 y 1,5.

5. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la cadena principal polimérica de PD es un poliacetal alifático o un poliacetal/poliéter alifático seleccionado entre:

a) -(CH2-0)n-

b) -(CH2-CH2-0-CH2-0)n-

c) -(CH2-CH2-CH2-0-CH2-0)n-

d) -(CH2-CH2-CH2-CH2-0-CH2-0)n-

e) -(CH2-CH2-0)n-

f) -(CH2-CHCH3-0)n-

g) -(CH2-CH2-CH2-0)n-

h) -(CH2-CH2-CH2-CH2-0)n-

i) -(CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-0)n-

j) -(CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-0)n-

en los que n es un número entero del 14 a 500.

6. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la cadena principal polimérica del PD corresponde a la Fórmula I

-(-CHrjj-CHo-

¡rCH5

**(Ver fórmula)** **(Ver fórmula)**

Fórmula I

en la que m es un número entero del 1 a 500, o es un número entero del 0 a 340, q es un número entero del 0 a 250, p es un número entero del 1 a 7, m+o+q es un número entero del 14 a 500,

R2 representa un átomo de hidrógeno, un grupo metilo o un grupo alquilo opcionalmente sustituido.

7. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el grupo de anclaje del PD corresponde a las Fórmulas II, III, IV ó V

?5

Re

/N 0

N« Y 4

,NV R

\X

Rs N^Rio

R

R

N YR"

r3

r8

x-x

N-N

Fórmula II

Fórmula III

Fórmula IV

Fórmula V

en las que

R3, R4i R7, Rs, Rg, Río y R12 representan Independientemente un átomo de halógeno, un grupo tiol opcionalmente sustituido, un grupo hldroxllo, un grupo ácido carboxíllco, un grupo aldehido, un grupo áster, un grupo amida, un grupo amina primarla, un grupo amina secundaria, un grupo amina terciarla, un grupo alquilo opclonalmente sustituido, un grupo arllo opclonalmente sustituido, un grupo aralquilo opcionalmente sustituido o un grupo alquileno opcionalmente sustituido,

R7y R8 pueden enlazarse opcionalmente para formar una estructura de anillo,

Rs, Re y R11 representan independientemente un átomo de halógeno, un grupo tiol opcionalmente sustituido, un grupo ácido carboxílico, un grupo amina primaria, un grupo amina secundaria, un grupo amina terciaria, un grupo alquilo opcionalmente sustituido, un grupo arilo opcionalmente sustituido o un grupo aralquilo opcionalmente sustituido,

X representa independientemente -N-, -CH- o -C(CRi3)- y en el que R13 representa un grupo metilo, un grupo alquilo opcionalmente sustituido, un grupo arilo opcionalmente sustituido o un grupo aralquilo opcionalmente sustituido y en las que X puede enlazarse opcionalmente a R9 o R10 para formar una estructura de anillo,

Y representa un átomo de oxígeno, un átomo de azufre o -NR14- en el que R14 representa un grupo metilo, un grupo alquilo opcionalmente sustituido, un grupo arilo opcionalmente sustituido o un grupo aralquilo opcionalmente sustituido.

8. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el peso molecular promedio en número del dispersante polimérico es de entre 1500 y 6000 Da.

9. Composición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende al menos un 1% en peso de nanopartículas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal.

10. Método para preparar una composición tal y como se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, comprendiendo los siguientes pasos:

- proporcionar una dispersión que comprende:

a) nanopartículas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal, b) un dispersante polimérico (PD) que comprende (i) una cadena principal de poliacetal o una cadena principal de poliacetal/poliéter y (ii) un grupo de anclaje que presenta afinidad con las nanopartículas metálicas, de óxido de metal o de precursor de metal y que está enlazado químicamente a dicha cadena principal de poliacetal o dicha cadena principal de poliacetal/poliéter, teniendo dicho PD una descomposición del 95% en peso a una temperatura inferior a 300°C, y c) un medio de dispersión, y

- añadir un aditivo de sinterización (SA) a la dispersión, siendo dicho SA un ácido dicarboxílico según la Fórmula HOOC-Xa-COOH, en la que a es 0 ó 1 y X representa un grupo alquileno C1-C3 opcionalmente sustituido.

11. Método para preparar una composición según la reivindicación 10, en el que en la etapa a) se usa un primer medio de dispersión y que dicho método comprende además los siguientes pasos entre la etapa a) y la etapa

b) ,

- eliminar el medio de dispersión al menos parcialmente por evaporación, obteniéndose así una pasta de alta viscosidad,

- redispersar la pasta de alta viscosidad en un segundo medio de dispersión, pudiendo ser idénticos los primer y segundo medios de dispersión.

12. Capa conductora o patrón conductor preparada/o:

- aplicando sobre un sustrato una composición tal y como se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, y

- curando dicha composición aplicada.

13. Proceso para curar capas o patrones conductores tal y como se han definido en la reivindicación 12, en el que el tiempo de curado es inferior a 30 minutos y que la temperatura de curado es inferior a 200°C.

14. Proceso para curar capas o patrones conductores según la reivindicación 13, en el que el tiempo de curado

varía entre 2 y 20 minutos.

15. Proceso para curar capas o patrones conductores según las reivindicaciones 13 ó 14, en el que la temperatura de curado varía entre 130°C y 180°C.