环保石墨烯导电油墨可以推进应变传感器

最近在《Journal of Materials Research and Technology》上发表的一篇预验证文章证明了基于水乳液的可印刷导电油墨的可行性，可用于应变传感器和柔性电子设备。

研究方向：聚乳酸-石墨烯乳液油墨基导电棉织物。图片来源：Rost9 / Shutterstock.com

对生物相容性可穿戴电子产品的需求不断增长

可穿戴技术在弹性电子设备领域正迅速变得不可或缺。因此，人们越来越渴望柔韧、超轻、易于制造、低成本、生物相容和可降解的电子设备。

可穿戴弹性混合设备广泛用于持续的医学观察，诊断和人机交互，研究重点是无刺激性和良性物质以及廉价的程序。

功能性电子物质中的生物相容性和生物降解性是满足众多医疗保健和环境指令以及最大限度地减少与管理电子废物相关的危险的关键特性。这仍然是最具挑战性的障碍，正在努力通过绿色电子产品来解决这一问题。

使用生物基聚合物的优势

水凝胶、再生丝和聚乳酸（PLA）等生物基物质有可能彻底改变医疗监测系统，如传感设备和可穿戴电子设备。由于其生物相容性和环保性、可持续性、低费用和解决方案可加工性，生物基聚合物为柔韧的电子系统提供了令人兴奋的可能性。

由生物基复合材料制成的导电油墨可以通过棒状涂层，喷涂或溶液浸泡直接施用于任何基材。通过在薄膜的一侧生产富碳膜，该团队能够通过使用生物基碳填料来降低电阻。

在较小量的生物基碳下，该层有助于导电系统的形成。研究人员发现，虽然由于松弛的丝素蛋白链接，张力后产生的变形没有完全修复，但这些物质适用于消耗性生态友好型应变片。

金属纳米颗粒和半导体金属氧化物，除碳质纳米材料外，还广泛用于柔韧的电子设备中。尽管近年来取得了重大进展，但它们固有的机械性能，相当大的费用以及有关生物降解和相容性的问题限制了它们的主流使用。

为工作寻找合适的溶剂

生物基聚合物材料必须减少有毒溶剂的使用，以垄断柔韧的电子产品。这可以通过在电子材料合成中采用无卤素，可生物降解和良性溶剂进行溶液处理来实现。选择合适溶剂的建议包括高生物聚合物溶解度、最低费用、降低风险和减少环境影响。

尽管如此，确定合适的生态良性溶剂仍然很困难。稳定的PLA基乳液，如水包油，可用于封装碳纳米纤维或石墨烯等功能性电子元件。不幸的是，之前还没有对使用绿色溶剂制造导电油墨的PLA基乳液进行过研究。

（a）原始棉织物和涂有导电油墨的样品的俯视图的扫描电镜图像，特别是（b）样品PLA0.5，（c）PLA1.0和（d）PLA1.5。不应用热压。插入的SEM图像说明了各个样品的横截面视图。© Najafi， M.， Zahid， M.， Ceseracciu， L.， Safarpour， M.， Athanassiou， A.， & Bayer， I. S. （2022）。

开发生物相容性导电油墨

在这项研究中，研究人员介绍了一种基于PLA-石墨烯的油水乳液可打印导电油墨，可用于开发消费电子和医疗诊断中的功能性覆盖物。水和可生物降解的溶剂，如苯甲醚，被用来制造乳液。这些油墨是通过乳化各种量的PLA作为粘合剂而产生的。油墨在纺织品上涂上棒状，减少了废物的形成。

使用动态光散射和光学显微镜研究了乳液和墨水。结果显示，含有分散的PLA和石墨烯纳米片（GGNPs）的水包油乳液分布良好。

通过棒材涂布工艺，油墨被用来涂覆材料。它们的形态结构表明，与产生的其他油墨相比，PLA：GnPs比例为1：1的油墨对纺织品的涂层最均匀，产生最大的电导率和机械质量。

结论

结果表明，经过热压处理后，样品的电导率增加了两倍。此外，由于PLA粘结剂更多地浸入编织中，热压试样表现出更好的机械特性。

即使在应变测试中经过几次拉伸释放轮后，覆盖的试样仍保持电导。由GnPs创建的导电网络的故障可能是100个周期应变测试结束时报告的电导率降低的原因。印刷油墨还具有耐磨性和耐洗性，同时保持其导电性。

这种环保型聚合物墨水可用作应变片，用于将某些电子模块转换为可生物降解的等效物。

参考

Najafi, M., Zahid, M., Ceseracciu, L., Safarpour, M., Athanassiou, A., & Bayer, I. S. (2022). Polylactic acid-Graphene Emulsion Ink based Conductive Cotton Fabrics. Journal of Materials Research and Technology. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785422006202?via%3Dihub