基于皮肤相容性石墨烯纳米片 (GNP) 的胶体墨水

印刷具有低规系数和高耐久性的可拉伸和皮肤兼容的导体是一项挑战。近日，发表在Chemistry of Materials上的一篇文章提出了一种基于皮肤相容性石墨烯纳米片 (GNP) 的胶体墨水，该墨水利用具有可调流变性的热塑性聚氨酯 (TPU) 粘合剂制备具有卓越性能的石墨烯导体。

除了即使在100%应变下也具有高导电性，石墨烯导体还表现出在20-50%的循环应变下也具有较高的抗疲劳性能。这些石墨烯导体在加热到120℃后显示出每平方34欧姆的低薄层电阻。

此外，多个能级的光子退火将薄层电阻降低到每平方10欧姆以下。然而，石墨烯导体的抗疲劳性和拉伸性得以保留，并且可以调整。因此，可拉伸性、高导电性和循环稳定性与具有可调节流变性的可扩展墨水生产相结合，展示了可拉伸可穿戴设备的大规模制造范围。

可穿戴设备中的石墨烯导体

印刷电子产品中的导电元件是以金属为基础的。然而，合适的金属是稀缺的或发生电迁移。虽然像银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)这样的金属是印刷电子产品的理想材料，但它们要么昂贵(Ag/Au)，要么有毒且极易被氧化(Cu)。

柔性导电聚合物是可集成到可穿戴导体中的金属替代品。然而，它们的稳定性问题阻碍了它们的实际应用。碳同素异形体石墨烯是另一种机械强度高、环境惰性、含量丰富且导电性强的替代品。

石墨烯是单原子厚的碳原子层，透明、导电、可弯曲，也是已知最强的材料之一。然而，使用石墨烯作为导体仍然是一个巨大的挑战，因为迄今为止证明的最低薄层电阻值高于市售的氧化铟锡 (ITO) 值（即 10 欧姆/平方，光学透射率为 85% ）。

GNPs 以大规模且具有成本效益的方式生产，这有助于轻松生产 GNP 基墨水，是可穿戴技术的金属墨水的替代品。各种工业印刷方法需要具有不同物理特性的墨水，包括表面张力、流变性和干燥时间。

尽管喷墨打印在实现高分辨率沉积方面效率很高，但它需要低粘度（即低浓度）的墨水，这限制了打印轨迹的导电性。相比之下，丝网印刷和柔版印刷技术是生产可穿戴电子产品的灵活、简单、快速和可扩展的方法。丝网印刷可印刷厚层，可适应多种油墨和基材。

基于GNP墨水的印刷可拉伸石墨烯导体

以前，基于石墨烯的应变传感器是通过丝网印刷制造的，而可拉伸的超级电容器是使用含有少量石墨烯的导电聚合物粘合剂基油墨印刷的。

Park、H等人开发的印刷可拉伸汗液传感器。使用由 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 中的 TPU 组成的基于 GNP 的墨水，并用开发的墨水装饰棉织物以生产应变传感器。然而，这些油墨缺乏可调节的流变性，限制了它们在许多循环中的导电性和拉伸性。

因此，理想的可穿戴电子应用导电轨道应具有高导电性、高拉伸性、高循环稳定性和低规格系数。在本研究中，我们开发了一种基于 GNP 的墨水，它满足了丝网印刷可拉伸、耐用和皮肤相容的石墨烯导体的所有这些要求。

在 120 摄氏度干燥后，开发的石墨烯导体在 TPU 基板上的薄层电阻低至每平方34欧姆。通过光子退火将其进一步降低至每平方10欧姆以下，同时保持其可拉伸性，证明了光子退火在调节基于 GNP 的可拉伸石墨烯导体的薄层电阻方面的潜力。

目前的方法允许在柔性基板上使用皮肤兼容的TPU粘合剂系统进行可扩展的GNPs生产，从而促进可调节的流变学。基于 GNP 的墨水基于产生了直石墨烯导体，即使在100%应变下也能导电。

这些石墨烯导体在 20-50% 的应变下表现出低应变系数和最小的循环应变疲劳，最多可循环 1000 次。因此，与银或金导体相比，石墨烯导体具有抗疲劳性并且具有低规格系数。

结论

总之，基于 TPU 和 GNP 的墨水被配制，并用于在具有 200 微米特征尺寸的各种柔性和可拉伸基材上，以丝网印刷无毒可拉伸石墨烯导体。

可拉伸轨道的薄层电阻电阻在TPU上低至34欧姆/平方，即使在100%应变下仍然导电。因此，印制的石墨烯导体分别承受20%和50%峰值应变的应变循环。与银导体或金导体相比，石墨烯导体具有较高的抗疲劳性能和较低的规格系数。

通过光子退火调制石墨烯导体的薄层电阻显著降低了薄层电阻，同时保持了调谐漂移和可拉伸性。因此，在配制墨水和后处理方面的可扩展性和灵活性为用于可穿戴电子设备应用的可拉伸和柔性石墨烯导体的工业生产开辟了新的道路。

文献信息：

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

审核编辑 ：李倩