印刷具有低規(guī)系數(shù)和高耐久性的可拉伸和皮膚兼容的導體是一項挑戰(zhàn)。近日，發(fā)表在Chemistry of Materials上的一篇文章提出了一種基于皮膚相容性石墨烯納米片 (GNP) 的膠體墨水，該墨水利用具有可調流變性的熱塑性聚氨酯 (TPU) 粘合劑制備具有卓越性能的石墨烯導體。

除了即使在100%應變下也具有高導電性，石墨烯導體還表現(xiàn)出在20-50%的循環(huán)應變下也具有較高的抗疲勞性能。這些石墨烯導體在加熱到120℃后顯示出每平方34歐姆的低薄層電阻。

此外，多個能級的光子退火將薄層電阻降低到每平方10歐姆以下。然而，石墨烯導體的抗疲勞性和拉伸性得以保留，并且可以調整。因此，可拉伸性、高導電性和循環(huán)穩(wěn)定性與具有可調節(jié)流變性的可擴展墨水生產相結合，展示了可拉伸可穿戴設備的大規(guī)模制造范圍。

可穿戴設備中的石墨烯導體

印刷電子產品中的導電元件是以金屬為基礎的。然而，合適的金屬是稀缺的或發(fā)生電遷移。雖然像銀(Ag)、金(Au)和銅(Cu)這樣的金屬是印刷電子產品的理想材料，但它們要么昂貴(Ag/Au)，要么有毒且極易被氧化(Cu)。

柔性導電聚合物是可集成到可穿戴導體中的金屬替代品。然而，它們的穩(wěn)定性問題阻礙了它們的實際應用。碳同素異形體石墨烯是另一種機械強度高、環(huán)境惰性、含量豐富且導電性強的替代品。

石墨烯是單原子厚的碳原子層，透明、導電、可彎曲，也是已知最強的材料之一。然而，使用石墨烯作為導體仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為迄今為止證明的最低薄層電阻值高于市售的氧化銦錫 (ITO) 值（即 10 歐姆/平方，光學透射率為 85% ）。

GNPs 以大規(guī)模且具有成本效益的方式生產，這有助于輕松生產 GNP 基墨水，是可穿戴技術的金屬墨水的替代品。各種工業(yè)印刷方法需要具有不同物理特性的墨水，包括表面張力、流變性和干燥時間。

盡管噴墨打印在實現(xiàn)高分辨率沉積方面效率很高，但它需要低粘度（即低濃度）的墨水，這限制了打印軌跡的導電性。相比之下，絲網印刷和柔版印刷技術是生產可穿戴電子產品的靈活、簡單、快速和可擴展的方法。絲網印刷可印刷厚層，可適應多種油墨和基材。

基于GNP墨水的印刷可拉伸石墨烯導體

以前，基于石墨烯的應變傳感器是通過絲網印刷制造的，而可拉伸的超級電容器是使用含有少量石墨烯的導電聚合物粘合劑基油墨印刷的。

Park、H等人開發(fā)的印刷可拉伸汗液傳感器。使用由 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 中的 TPU 組成的基于 GNP 的墨水，并用開發(fā)的墨水裝飾棉織物以生產應變傳感器。然而，這些油墨缺乏可調節(jié)的流變性，限制了它們在許多循環(huán)中的導電性和拉伸性。

因此，理想的可穿戴電子應用導電軌道應具有高導電性、高拉伸性、高循環(huán)穩(wěn)定性和低規(guī)格系數(shù)。在本研究中，我們開發(fā)了一種基于 GNP 的墨水，它滿足了絲網印刷可拉伸、耐用和皮膚相容的石墨烯導體的所有這些要求。

在 120 攝氏度干燥后，開發(fā)的石墨烯導體在 TPU 基板上的薄層電阻低至每平方34歐姆。通過光子退火將其進一步降低至每平方10歐姆以下，同時保持其可拉伸性，證明了光子退火在調節(jié)基于 GNP 的可拉伸石墨烯導體的薄層電阻方面的潛力。

目前的方法允許在柔性基板上使用皮膚兼容的TPU粘合劑系統(tǒng)進行可擴展的GNPs生產，從而促進可調節(jié)的流變學?；?GNP 的墨水基于產生了直石墨烯導體，即使在100%應變下也能導電。

這些石墨烯導體在 20-50% 的應變下表現(xiàn)出低應變系數(shù)和最小的循環(huán)應變疲勞，最多可循環(huán) 1000 次。因此，與銀或金導體相比，石墨烯導體具有抗疲勞性并且具有低規(guī)格系數(shù)。

結論

總之，基于 TPU 和 GNP 的墨水被配制，并用于在具有 200 微米特征尺寸的各種柔性和可拉伸基材上，以絲網印刷無毒可拉伸石墨烯導體。

可拉伸軌道的薄層電阻電阻在TPU上低至34歐姆/平方，即使在100%應變下仍然導電。因此，印制的石墨烯導體分別承受20%和50%峰值應變的應變循環(huán)。與銀導體或金導體相比，石墨烯導體具有較高的抗疲勞性能和較低的規(guī)格系數(shù)。

通過光子退火調制石墨烯導體的薄層電阻顯著降低了薄層電阻，同時保持了調諧漂移和可拉伸性。因此，在配制墨水和后處理方面的可擴展性和靈活性為用于可穿戴電子設備應用的可拉伸和柔性石墨烯導體的工業(yè)生產開辟了新的道路。

文獻信息：

Hazendonk, L.S.Vet al.(2022)Printed Stretchable Graphene Conductors for Wearable Technology.Chemistry of Materials.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c02007

審核編輯 ：李倩