جوهر رسانا

سلام؛

 این هم  مقاله یکی از پروژه های امسالم.

PDF

یکی از فیلم های مربوطه:

 چکیده:

با گسترش علم الکترونیک و استفاده روز افزون از مدار های الکتریکی، بر آن شدیم تا جوهری بسازیم تا بتوان از آن برای چاپ مدار های الکتریکی با دقت بالا استفاده کرد. اساس تمام جوهرها یک کمپلکس فلزی است که توسط عامل کاهنده، کاهش داده شده و فقط فلز آن روی مدار باقی می ماند. بقیه فراورده های باید گازی باشند تا چیزی از آنها روی مدار باقی نماند و در رسانایی تاثیر نگذارد. روش ساخت جوهر نقره با جوهر های مس و نیکل تفاوت دارد. ابتدا سعی کردیم جوهر های مس و نیکل را با همان روش جوهر نقره تولید کنیم اما چون عامل کاهنده قدرت کافی نداشت، روش را عوض کردیم. همچنین با انتخاب نوع حلال می توانستیم عمر جوهر را تعیین کنیم. فرآورده های هم همان طور که گفته شد میبایست گازی باشند تا به راحتی جدا شوند. همچنین تا حد امکان باید دمای لازم برای انجام واکنش کاهش را پایین می آوردیم. در جوهر نقره از نمک نقره استات به عنوان نمک فلز دار، حلال آمونیاکی برای تشکیل کمپلس و از آمونیوم فرمات به عنوان کاهنده استفاده کردیم. دمای لازم برای انجام واکنش 90 درجه سانتی گراد بود و فرآورده ها علاوه بر نقره،کربن دی اکسید، استیک اسید و آمونیاک بودند. در تهیه جوهر های نیکل و مس از مس سولفات و نیکل سولفات، آنیون سیترات برای تشکیل کمپلکس و از سدیم بورهیدرید برای کاهش استفاده کردیم. تمامی جوهر را می بایت پس از ساخت از فیلتر 0.2 میکرو متر عبور داده می شدند تا ذرات فلزی از آنها جدا شده و در پرینتر رسوب نکند.

1- جوهر نقره

1-1- مکانیسم واکنش

1-1-1- مقدمه

این روش، روش اصلاح شده واکنش تولن است. از واکنش تولن برای تشخیص گروه کربونیل در یک ترکیب استفاده میشود. ^]1[  واکنش دهنده ی تولنز ترکیبی از نقره نیترات، سدیم هیدروکسید و آمونیاک است.

2 AgNO₃ + 2 NaOH → Ag₂O (s) + 2 NaNO₃ + H₂O

Ag₂O (s) + 4 NH₃ + 2 NaNO₃ + H₂O → 2 [Ag(NH₃)₂]NO₃ + 2 NaOH

در صورت حضور گروه کربونیل در مخلوط، نقره (مثل آینه) در دیواره ظرف رسوب می کند ^]4[:

2 [Ag(NH₃)₂]⁺ + RCHO + H₂O → 2 Ag(s) + 4 NH₃ + RCO₂H + 2 H⁺

در تمامی این جوهرها از یک نمک به عنوان منبعی برای فلز، یک جز به عنوان حلال و یک جز برای تولید کمپلکس استفاده میشد. از یک عامل کاهنده هم برای کاهش کمپلکس به فلز و سایر فرآورده ها استفاده می شود.^]2[

1-1-2-موازنه واکنش

موازنه واکنش برای ما بسیار اهمیت داشت. زیرا با استفاده از آن می توانستیم فرآورده ها و مواد مورد نیاز را مورد بررسی قرار دهیم. طبق آنچه گفته شد، در این جوهر ما از نقره استات به عنوان نمک فلز دار و از آمونیاک مایع هم به عنوان حلال و هم به عنوان لیگاند های کمپلکس تولیدی استفاده می کنیم. همچنین عامل کاهنده ما امونیوم فرمات است که از واکنش آمونیاک با فرمیک اسید بدست می آید.

2 [Ag(NH₃)₂]CH₃COO (aq) + NH₄COOH (aq) → 2 Ag (s) + 5 NH₃ (g) + 2 CH₃COOH (g) + CO₂ (g(

همان طور که مشاهده می کنید در این واکنش سایر فرآورده ها به جز نقره، گازی بوده و از محیط خارج میشوند. همچنین دمای لازم برای انجام واکنش کاهش 90 درجه سانتی گراد است. ^]5[

1-2- آزمایش

1-2-1- محاسبات

طبق آزمایش های انجام شده به این نتیجه رسیدیم که باید نصف محلول را آمونیاک (به عنوان حلال) تشکیل دهد. بیش تر از این مقدار باعث زیاد شدن زمان واکنش و کمتر از آن باعث کم شدن زمان مصرف جوهر می شود.

عدد کوئوردینانسیون نقره در کمپلکس های آمونیاکی 2 است: [Ag(NH₃)₂]CH₃COO

بنابراین به ازای یک مول نقره استات، به دو مول آمونیاک لازم داریم.

AgCH₃COO + 2NH₃ → [Ag(NH₃)₂]CH₃COO

اما ما از آمونیاک مایع یعنی آمونیوم هیدروکسید استفاده کردیم. آمونیاک مایع مورد استفاده ما 25% بود.

این مقدار نمک و آمونیاک مایع فقط برای کمپلکس است. بخش از آمونیاک باید صرف تولید آمونیوم فرمات در واکنش با فرمیک اسید شود و بخش دیگر باید به عنوان حلال استفاده شود. همان طور که گفته شد حلال باید نصف محلول را تشکیل دهد؛ بنابراین به محاسبه مواد لازم برای تولید آمونیوم فرمات می پردازیم:

HCOOH + NH₃ → NH₄COOH

فرمیک اسید مورد استفاده هم 19 مولار بود:

اکنون دو برابر مقدار آمونیاک مصرفی، آمونیاک نیاز داریم. داده ها را می توانید در جدول 1-2-1 مشاهده کنید.

فرمیک اسید (19 مولار)	آمونیاک (25%)	نقره استات
53 mL	460 mL	167 g
0.2 mL	2.5 mL	1 g

جدول 1-2-1: مقدار مواد مصرفی

1-2-2- در آزمایشگاه

1 گرم نقره استات را در یک بشر 50 میلی لیتری ریخته و به آن 2.5 میلی لیتر آمونیاک 25% اضافه میکنیم. یک مگنت داخل آن گذاشته و انقدر هم میزنیم تا تمام نقره استات در آن حل شود. سپس به آرامی و قطره قطره، 0.2 میلی لیتر فرمیک اسید را به آن می افزاییم. رنگ محلول کمی تیره می شود ولی همچنان شفاف است.

محلول را داخل یک ظرف ریخته و می گذاریم 12 ساعت بماند. در طی این 12 ساعت بخشی از نقره اضافی رسوب می کند. محلول را از فیلتر 0.2 میکرومتر عبور می دهیم. ^]5[

1-3-مزایا و معایب

1-3-1-مزایا  ^]1[:

1.      به جای نقره نیترات از نقره استات استفاده میشود که پایدار تر است و انفجاری نیست.

2.      با استفاده از فرمیک اسید چیزی از عامل کاهنده باقی نمی ماند و به صورت کربن دی اکسید و آمونیاک خارج میشود.

3.      کمپلکس دی آمین نقره مستقیما از محلول آمونیاک تولید شد بدون آنکه نیازی به نقره اکسید به عنوان ترکیب واسطه باشد. همچنین بخشی از آمونیاک با فرمیک اسید واکنش داده و عامل کاهنده را تولید میکند.

4.      جوهر تولیدی حدود 22% جرمی نقره دارد که میتواند به دیگر فرآورده های جوهر نقره تبدیل شود.

5.      این جوهر میتواند تحت هر شرایطی ماه ها نگه داری شود بدن آنکه ذره ذره شود.

1-3-2-معایب

1.      از این روش نمیتوان برای تولید جوهر های مس و دیگر فلزات استفاده کرد زیرا به سرعت اکسید میشوند.

2.      از آنجا که آمونیوم فرمات یک کاهنده ضعیف است، ممکن است بخشی از کمپلکس را کاهش ندهد.

3.      نمک های نقره به سرعت تحت تاثیر نور تغییر رنگ میدهند.

4.      اگر آمونیاک به مقدار کافی ریخته نشود، فرمیک اسید نقره استات را میکاهد و قبل از استفاده نقره به شکل آیینه در جدار ظرف رسوب می کند.

1-4-استفاده در پرینتر^]1[

1-4-1-تنظیم ویسکوزیته

این جوهر رسانایی بالایی داشته و میتواند به صورت مستقیم روی مدار نوشته شود. علاوه بر این، میتوان از آن در رنگ پاشها نیز استفاده شود. با افزودن 2,3-butandiol (10% حجمی) میتوان ویسکوزیته جوهر را تنظیم کرد.

1-4-2-زمان خشک شدن

این جوهر در دمای 23 درجه در مجاورت هوا شروع به خشک شدن میکند و در 90 درجه برای 15 دقیقه به طور کامل خشک میشود.(نمودار 1-4-1)

نمودار 1-4-1: اثر دما بر رسانایی: جوهر چاپ شده (قرمز)، جوهر کشیده شده با قلم (سبز)، رسانایی جوهر (آبی)

2- جوهر مس و نیکل

2-1- واکنش

2-1-1-مقدمه

همان طور که گفته شد نمیتوان از روش قبلی برای تولید این جوهر ها بهره گرفت زیرا به سرعت اکسید شده و از طرف دیگر عامل کاهنده ی قوی تری برای کاهش آن ها لازم است.

بنابراین مشابه آنچه در قسمت1-1-1 درباره ترکیب جوهر ها گفته شد، در این جوهر ما از نمکهای مس (II) سولفات و نیکل (II) سولفات استفاده کردیم. حلال ما محلول سدیم سیترات و لیگاند مورد استفاده در کمپلکس، آنیون سیترات است. عامل کاهنده هم سدیم بوروهیدرید است.

عوامل کاهنده ی دیگری مثل فرمالدهید، سدیم هیپوفسفات، گلی اکسی اسید و آمین بوران هم قابل استفاده است.^]2[

2-2-آزمایش

2-2-1-محلول ها

2-2-1-1-مس^]2[

در محلول 1.25 مولار مس سولفات، سدیم سیترات حل میکنیم. یون سیترات کی لیت کمپلکس است. در یک ظرف دیگر مقداری سدیم بور هیدرید را در محلول 0.5 مولار سدیم هیدروکسید حل می کنیم. زیر این ph (حدود 14) سدیم بورو هیدرید را پایدار می کند.

2-2-1-2-نیکل^]2[

مشابه مس فقط محلول 2.5 مولار نیکل سولفات و محلول 1.25 مولار سدیم بور هیدرید.

2-2-2-محاسبات

برای مس:

نکته: چون مس سولفات آبدار است، برای وزن کردن ابتدا باید آن را در بوته چینی خشک کنیم.

از آنجا که آنیون سیترات با کاتیون مس تشکیل حلقه کی لیت می دهد، مشابه شکل 2-2-2-1، نسبت آنها را 2 به 3 در نظر میگیریم.

 برای نیکل هم مشابه مس عمل می کنیم.

2-2-3- سنتز سدیم بورو هیدرید ^]3[

برای سنتز سدیم بورهیدرید روش های متعددی وجود دارد. ساده ترین روش کاهش سدیم متابورات با متان یا هیدروژن و یا پودر کربن و هیدروژن است. برای تولید سدیم متابورات می توان از واکنش بوراکس و سدیم کربنات بدست آورد. کاهش با پودر کربن و گاز هیدروژن (در کنار هم) منطقی تر به نظر میرسد. سپس مخلوط را گرم می کنیم.

NaBO₂ + C + 2 H₂ → NaBH₄ + CO₂

NaBO₂ + 2 C + 2 H₂ → NaBH₄ + 2 CO

2-3-پرینت ^]2[

2-3-1- فرکانس پرینت

برای چاپ جوهر، مناسب ترین فرکانس 333 هرتز و بهترین غلظت محلول نمک مس سولفات (برای جوهر مس) 1.25 مولار است. همچنین بهتر است مثل جوهر نقره، تمامی محلول ها به همراه جوهرحاصل را از فیلتر 0.2 میکرو متر عبور دهید تا از رسوب فلز جلوگیری کند.

منابع

1.        Reactive Silver ink for patterning high-conductivity features at mild temperatures, S. Brett Walker, Jennifer A. Lewis, Jou.ame.chem.soc.

2.        Conductive copper and nickel lines via reactive inkjet printing, Li Dapeng, Sutton David, Burgess Andrew, Graham Derek, D.Calvert Paul, Jou.mat.chem, 2009.

3.        Review of chemical processes for synthesis of sodium borohydride, Wu Ying, T.Kelly Micheal, V.ortega Jeffrey,2004.

4.        en.wikipedia.org/wiki/Tollens%27_reagent, 2015.

5.        www.youtube.com/watch?v=EBlqPS8boLI, 2014

PDF