用于皮肤兼容可穿戴设备的可拉伸石墨烯油墨

打印具有低厚度系数和高耐用性的可拉伸和贴肤导体具有挑战性。发表在《材料化学》杂志上的一篇文章介绍了一种基于皮肤相容的石墨烯纳米片（GNP）基胶体油墨，该油墨利用具有可调流变性的热塑性聚氨酯（TPU）粘合剂来制备具有优异性能的石墨烯导体。

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研究：用于可穿戴技术的印刷可拉伸石墨烯导体。图片来源：Artbox/Shutterstock.com

除了即使在100%应变下也具有高导电性外，石墨烯导体还对20-50%的循环应变表现出很高的抗疲劳性。这些石墨烯导体在120摄氏度下加热时显示出每平方34欧姆的低薄片电阻。

此外，在几个能级的光子退火将薄片电阻降低到每平方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，并且可以进行调整。因此，拉伸性、高导电性和循环稳定性与可调节流变的可扩展油墨生产相结合，证明了可拉伸可穿戴设备的大批量生产范围。

可穿戴设备中的石墨烯导体

印刷电子产品中的导电元件基于金属。然而，合适的金属稀缺或容易发生电迁移。虽然银（Ag），金（Au）和铜（Cu）等金属是印刷电子产品的理想选择，但它们要么昂贵（Ag / Au），要么有毒且极易氧化（Cu）。

柔性导电聚合物是金属的替代品，可以集成到可穿戴导体中。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，丰富且导电性的替代品。

石墨烯是一层一个原子厚的碳原子层，是透明的，导电的，可弯曲的，但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其片状电阻的最低值高于市售的氧化铟锡（ITO）的值（即在85%的光学透射率下每平方10欧姆）。

GNP以大规模和具有成本效益的方式生产，这有利于生产基于GNP的油墨，这是可穿戴技术金属油墨的替代品。各种工业印刷方法需要具有不同物理性能的油墨，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的效率很高，但它需要低粘度（即低浓度）的墨水，这限制了打印轨道的导电性。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。丝网印刷可打印厚层，可以容纳各种油墨和承印物。

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来印刷的。

由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GNP基油墨，并用开发的油墨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，可穿戴电子应用的理想导电轨道有望具有高导电性、高拉伸性、高循环稳定性和低表压因数。在本研究中，开发了一种基于GNP的油墨，以满足丝网印刷可拉伸，耐用和皮肤相容的石墨烯导体的所有这些要求。

开发的石墨烯导体在120摄氏度下干燥后，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到每平方10欧姆以下，同时保持其拉伸性，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。

目前的方法允许使用皮肤兼容的TPU粘合剂系统在柔性基板上可扩展生产GNPs，从而促进可调节的流变性。基于GNP的油墨产生的直石墨烯导体即使在100%应变下也具有导电性。

这些石墨烯导体在20-50%应变下表现出低表压因数和最小的疲劳，循环应变长达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表观因子。

结论

综上所述，基于TPU和GNP的油墨被配制成并用于在具有200微米特征尺寸的各种柔性和可拉伸基材上丝网印刷无毒可拉伸石墨烯导体。

在TPU上，可拉伸轨道的薄层电阻低至每平方34欧姆，即使在100%应变下仍保持导电性。因此，印刷石墨烯导体承受20%和50%峰应变的应变循环。与银或金导体相比，石墨烯导体具有很强的抗疲劳性，并且表现出低规格因子。

通过光子退火调节石墨烯导体的薄层电阻，在保持调谐漂移和拉伸性的同时，显著降低了片状电阻。因此，油墨和后处理的配方的可扩展性和灵活性为可穿戴电子产品应用中可拉伸和柔性石墨烯导体的工业生产铺平了一条新道路。

参考

Hazendonk，L.S.V等人（2022）用于可穿戴技术的印刷可拉伸石墨烯导体。材料化学。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c02007