基于石墨烯/碳粉的水性导电油墨，用于高性能柔性可穿戴加热器

摘要：碳基复合导电材料具有加工简便、成本效益高和超轻等优点，是一种新兴的电热材料。然而，在柔性可穿戴加热器领域，使用碳基材料开发满足人体健康安全、低电压可操作性和耐用性要求的水基油墨仍然是一项艰巨的挑战。本文，东华大学Weiwei Dong、朱世根教授等研究人员在

1成果简介

碳基复合导电材料具有加工简便、成本效益高和超轻等优点，是一种新兴的电热材料。然而，在柔性可穿戴加热器领域，使用碳基材料开发满足人体健康安全、低电压可操作性和耐用性要求的水基油墨仍然是一项艰巨的挑战。本文，东华大学Weiwei Dong、朱世根教授等研究人员在《J Mater Sci》期刊发表名为“Water-based conductive ink containing graphene nanosheets and ultrafine carbon powder for high-performance flexible wearable heaters”的论文，研究采用简单的球磨法制备了以石墨烯纳米片（GNs）和超细碳粉（UC）为导电填料的稳定水基导电油墨。

这种导电油墨具有适合丝网印刷的流变特性，印刷分辨率可达 0.4 毫米，附着力为1级。当石墨烯纳米片占导电填料总含量的15%时，印刷图案呈现出由导电填料在微观尺度上的平面接触和点接触形成的 “三明治 ”型导电网络结构，从而使片层电阻低至 14.16 Ω sq-1，比纯超细碳印刷图案低 54.99%。用这些印刷图案制备的电热膜在 4 至 16 V 的低电压驱动下，50 秒内就能做出快速反应，温度范围可调至 30 至 90 °C。此外，它还能在循环加热、冷却和弯曲条件下保持稳定性能达 1000 次。我们制作了热均匀性极佳的可穿戴加热套管，验证了其在柔性可穿戴设备应用中的巨大潜力。

2图文导读

图1、油墨制备和丝网印刷图案制备过程的示意图。

图2、a粘度绘制为不同油墨的剪切速率的函数;b 模拟丝网印刷过程中的油墨流变行为。

图3、a Strain sweep curves for GNs/UC composite conductive inks; b–e Dynamic frequency sweep for GNs/UC composite conductive inks for G/U-0, G/U-10, G/U-15, and G/U-20; and f Tan δ plotted as a function of frequency for different inks i n dynamic frequency sweep.

图4、a Image about clarity of lines screen printed with G/U-15 and b Image of ink adhesion testing by cross-cut test on PET films.

图5、a–d Schematic diagram of micro conductive network mechanism of G/U-0, G/U-10, G/U-15, and G/U-20 printing patterns; e Schematic diagram of single fillers conductive network; and f Schematic diagram of "sandwich" composite fillers conductive network.

图6、The relationship between Tmax and the applied DC voltage of GNs/UC electrothermal films.

图7、a–d Homemade mechanical flexibility test equipment and e the resistance values of the G/U-15 coating after bending 0, 100, and 1000 times.

图8、a–d Infrared images of the simple heating sleeve in operation.

3小结

综上所述，本研究采用球磨法制备了一种以 GNs 和 UC 为复合导电填料的高性能水基导电油墨。得出以下结论：

(1)随着导电填料中 GNs 含量从 0% 增加到 20%，油墨结构的强度和弹性显著提高。制备的导电油墨具有适合丝网印刷应用的流变特性。所制备的 G/U-15 印刷图案完整，边缘清晰，印刷清晰度可达 0.4 毫米，附着力达到 1 级，符合柔性印刷技术的要求。

(2)当添加 15% 的 GNs 时，GNs 和 UC 之间实现了最佳分散，导电填料之间的平面接触和点接触形成了复合 “三明治 ”结构。这就在印刷图案中形成了优化的堆叠结构和完善的导电网络，片面电阻低至 14.16 Ω sq-1，与不添加 GNs 的导电油墨相比，片面电阻降低了 54.99%。

(3)在较低的驱动电压下，G/U-15 电热膜能快速响应并在 50 秒内达到稳定温度，实现 30-90 °C 的可调加热温度范围。通过加热-冷却循环和机械弯曲测试，G/U-15 电热膜表现出良好的性能稳定性，通过物理测试，其温度分布均匀性也十分显著。本研究中展示的高性能 GNs/UC 丝网印刷油墨在可穿戴电子产品（包括热治疗和个人热管理）中的应用前景十分广阔。

文献：