厉害了剑桥!石墨烯导电油墨制备新技术不仅高效?低成本?还100%转化率?!

由金、银以及其它贵金属制成的导电油墨由于价格昂贵,应用范围受到一定限制。相比之下,碳系导电油墨具有成本低和性能稳定等优点,且不需要太多印后处理步骤。而物联网的出现将改变人们的生活方式,急需低成本、高效地生产使用稳定、导电和无毒组分的电子器件。

1月19日,《美国化学学会纳米》(ACS Nano)发表了英国剑桥大学石墨烯中心的研究人员关于制备一种生产高浓度、高品质导电性水基石墨烯油墨的新方法的相关研究。该论文题为“Microfluidization of Graphite and Formulation of Graphene-Based Conductive Inks”。

导电油墨是一种由导电填料、连接剂、溶剂和助剂组成的导电性复合材料,属于功能性特种油墨,通常印刷于导电承印物上,具有传导电流、排除静电荷积累的作用 。按照导电填料种类,大体上可将导电油墨分为贵金属系填充、非贵金属系填充及无机碳类填充导电油墨。贵金属系(金、银)导电油墨、非贵金属系(铜)导电油墨、碳系导电油墨都已成功应用于水晶和薄膜太阳能光电板、FRID、逻辑和记忆电路、触屏显示器、电子传感器以及智能包装等商业化领域中。

厉害了剑桥!石墨烯导电油墨制备新技术不仅高效?低成本?还100%转化率?!

石墨烯导电油墨微流化的过程

但是,由金、银以及其它贵金属制成的导电油墨由于价格昂贵,应用范围受到一定限制。相比之下,碳系导电油墨具有成本低和性能稳定等优点,且不需要太多印后处理步骤。而物联网的出现将改变人们的生活方式,急需低成本、高效地生产使用稳定、导电和无毒组分的电子器件。

常用碳系导电油墨的填充材料主要有石墨、碳粉、碳纳米管、碳纤维和石墨烯等,其中基于石墨、碳粉的导电油墨尽管价格低廉,但是其电导率低,易因固化后收缩过大导致油墨层开裂,使其应用受阻。以碳纳米管和石墨烯为代表的碳基纳米材料在导电油墨中的应用越来越受关注。与碳纳米管和碳纤维相比,石墨烯具有更大的比表面积(2630 m 2 /g),更为优异的电子传导性能(2×10 5 cm 2 /(V·s)) ,且在10~100 K 范围内并未表现出温度的依赖性,因此受到更多的关注。因此,如何高效、低成本的制备石墨烯导电油墨成为了当下研究人员急需解决的问题。

石墨烯常见的制备方法有微机械剥离法、化学剥离法、化学气相沉积法以及电弧放电法等。其中,微机械剥离法和化学气相沉积法制备的石墨烯虽然质量高,但是产量低,难以实现石墨烯的规模化制备;而化学剥离法虽然可以宏量制备石墨烯,但是氧化、超声以及后续还原往往会造成碳原子的缺失,使得石墨烯含有较多缺陷,导电性变差;由电弧放电法制备的石墨烯,不仅具有高达600℃以上的氧化温度、高的结晶性和纯度,而且可以在实验室中实现石墨烯样品的克量级制备,甚至有望放大为公斤级甚至吨级的工业规模,目前已逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。

为了实现高电导率导电油墨的规模化制备,满足其在印制电子器件中的需求,剑桥大学的研究人员在试验过程中采用在微流化工艺中使用超高剪切力将石墨剥离成石墨烯薄片,可以将原石墨材料100%地转化成可用于导电油墨的石墨烯薄片,从而减去离心步骤,减少了产生过程耗费的时间。

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制备过程将石墨在水溶液中在高剪切速率[〜108s-1]湍流条件下剥离,具有100%的剥离率。 使用羧甲基纤维素钠盐在不高于100g / L的浓度下离心使材料稳定,以配制导电性可印刷油墨。 刮刀涂膜的薄层电阻低于〜2Ω/□。 这是一种用于柔性电子产品中大面积印刷的导电油墨的简单且可扩展的生产路线。

以微流化方法产生的石墨烯导电油墨,每升的石墨烯浓度高达100g,可以用于优化丝网印刷技术。这些油墨也还可用于制造新型复合材料、涂料以及储能设备。

该方法亦可用于制备其它层状材料,例如六方氮化硼或过渡金属二硫化物,可提供一系列可印刷的导体、绝缘体、半导体等电子元件,以构建具有不同功能的印刷电子器件。这些油墨非常适合成本要求低的产品。

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使用微流化方法100%的产率,为商业化生产批量生产高质量石墨烯油墨铺平了道路。使用该方法生产的石墨烯导电油墨已经通过英国剑桥大学(CambridgeUniversity)所属公司“Cambridge Graphene”推向市场,而该公司最近被工程集团Versarien收购。这些油墨还提供给位于剑桥的新型印刷公司Novalia,用于制备印刷式交互触摸电子产品。

这项工作的主要负责人,剑桥石墨烯中心研究员PanagiotisKaragiannidis博士认为,“研究的目的是通过使用具有高浓度的油墨的丝网印刷产生具有低薄电阻的层结构。在微流化过程中,所有的起始混合物都经历过相同的均匀强化剪切水平,然后将其转化为具有高浓度的油墨,这种方法既不会浪费材料,亦不会有耗时的后续工序。”

剑桥石墨烯中心主任,石墨烯旗舰的科学技术主管,欧盟石墨烯旗舰管委会主席Andrea Ferrari教授则表示:“这是一项重要的概念性进展,将明显有助于石墨烯旗舰实现创新和产业化的目标。事实上,这次技术已经获得了商业化许可,表明石墨烯旗舰的研发周期内,缩短新产品从实验室到市场的时间是可行的。

西班牙国家研究委员会(CSIC)的MarGarcía-Hernandez是石墨烯旗舰Work Package Enabling Materials的负责人,该部门致力于石墨烯和其他层状材料扩展性合成方法的研发。

他说:“就应用于有机光伏、RFID天线、导电镀层或纳米复合材料等领域的经济性绿色石墨烯油墨而言,微流化技术使其向产业化迈进了一大步。该方法也应该非常适用于合成各种其他类型的层状材料制成的油墨,这必将扩大层状材料在实际产品中的应用范围。

相关论文全文发表在 ACS Nano, Article ASAP(DOI: 10.1021/acsnano.6b07735)上。

本文来自高分子科学前沿,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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