[發(fā)明專利]一種石墨烯導(dǎo)電油墨及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910444840.X
• 申請(qǐng)日: 2019-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN110204962A
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳國華;邱欣斌;劉飛翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華僑大學(xué)
• 主分類號(hào): C09D11/52
• 分類號(hào): C09D11/52;C09D11/107;C09D11/03
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;姜謐

本發(fā)明公開了一種石墨烯導(dǎo)電油墨及其制備方法，由自穩(wěn)定分散石墨烯納米材料、醇水混合溶劑和墨水粘結(jié)劑以1?50∶200?1000∶1?20的質(zhì)量比組成，其中自穩(wěn)定分散石墨烯納米材料由對(duì)氨基苯磺酸鈉、天然鱗片石墨和醇水混合溶劑通過液相剝離法制成，其中對(duì)氨基苯磺酸鈉通過π?π共軛作用、物理吸附作用及化學(xué)接枝作用于石墨烯表面。本發(fā)明的石墨烯導(dǎo)電油墨穩(wěn)定分散、高電導(dǎo)率、優(yōu)異的印刷適應(yīng)性、優(yōu)異的柔性等優(yōu)勢(shì)有望應(yīng)用于印刷各類柔性電子器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯導(dǎo)電油墨及其制備方法。

背景技術(shù)

導(dǎo)電油墨是一種由導(dǎo)電填料、粘結(jié)劑、溶劑和各類輔助助劑共同組成的一類復(fù)合材料，其中導(dǎo)電填料是導(dǎo)電油墨性能的關(guān)鍵相。導(dǎo)電油墨中有無數(shù)的導(dǎo)電粒子均勻分散于粘結(jié)劑和油墨溶劑中，液態(tài)的導(dǎo)電油墨處于絕緣狀態(tài)，導(dǎo)電油墨印刷后獲得的導(dǎo)電圖案或印刷薄膜，經(jīng)退火后獲得的印刷產(chǎn)品具備一定導(dǎo)電性。

通過光刻、化學(xué)刻蝕、化學(xué)鍍覆、真空沉積等方式所制備的傳統(tǒng)電子器件及儲(chǔ)能器件存在諸多缺陷：金屬耗材昂貴、工藝繁雜、環(huán)境污染等等。20世紀(jì)90年代，導(dǎo)電油墨的發(fā)展初見端倪，在傳統(tǒng)的硅基電子信息技術(shù)革新中，催生了現(xiàn)代電子印刷技術(shù)一印刷導(dǎo)電油墨。各類印刷導(dǎo)電油墨如金屬系導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電高分子系導(dǎo)電油墨以及碳系導(dǎo)電油墨如雨后春筍般迅猛發(fā)展。研究較為成熟的導(dǎo)電銀漿導(dǎo)電性能優(yōu)異且具備一定的應(yīng)用，但銀納米粒子容易發(fā)生銀遷移與沉降，且金屬銀價(jià)格昂貴有礙于其廣泛應(yīng)用。而另一類金屬導(dǎo)電油墨導(dǎo)電銅漿作為成本較為低廉的導(dǎo)電油墨因銅納米顆粒抗氧化性極差，極大地限制其應(yīng)用與發(fā)展。另外，導(dǎo)電高分子系(以PEDOT/PSS系為代表)導(dǎo)電油墨穩(wěn)定性差、導(dǎo)電性低、PEDOT/PSS高分子導(dǎo)電油墨需適當(dāng)摻雜且耐候性差。基于石墨烯導(dǎo)電油墨制備的特種功能電子器件較于早前種類繁多的印刷導(dǎo)電油墨有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：耐腐蝕、可撓性、輕量化、低廉化、綠色環(huán)保等。隨著石墨烯制備技術(shù)的發(fā)展，石墨烯導(dǎo)電油墨已經(jīng)涉足各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用包括：柔性電子屏、功能傳感器、光伏電池、印刷微型電路以及無線射頻識(shí)別設(shè)備(RFID)等等。尤其備受國內(nèi)外矚目的RFID的廣泛運(yùn)用，依仗石墨烯導(dǎo)電油墨產(chǎn)品具備低成本、可產(chǎn)業(yè)化、綠色環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為柔性電子時(shí)代奠定一定的基礎(chǔ)。

石墨烯作為新一代的導(dǎo)電材料，具備無與倫比的高電荷遷移率，來自哥倫比亞大學(xué)的Kirill Bolotin從結(jié)構(gòu)完整的石墨烯中測(cè)得其電荷遷移率為2.5×10⁵cm²/(V·s)，是單晶硅材料的100倍之多且其電荷遷移率不受溫度的影響。石墨烯結(jié)構(gòu)中每個(gè)碳原子均提供一個(gè)未成鍵的π電子并能夠在石墨烯晶體表面自由移動(dòng)，賦予其超高的電子遷移率。因此石墨烯作為導(dǎo)電材料在儲(chǔ)能、信號(hào)傳輸、傳感器檢測(cè)、復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出其廣泛的應(yīng)用前景。

目前石墨烯導(dǎo)電油墨的制備方法主要為液相剝離法制備石墨烯導(dǎo)電油墨。液相剝離法主要體現(xiàn)為利用石墨烯與有機(jī)溶劑之間的表面能(E_s)差值和石墨烯的層間作用力之間存在的機(jī)制：即表面能差值越低石墨烯層間的范德華作用力越小，其中石墨烯表面能(E_S-G≈70.0mJ·m^-2)和二甲基甲酰胺表面能(DMF)(E_S-DMF≈65.0mJ·m^-2)與N-甲基吡咯烷酮表面能(NMP)(E_S-NMP≈68.2mJ·m^-2)之間較為接近。因此液相剝離法主要利用這類溶劑對(duì)天然石墨進(jìn)行速剪切剝離獲得石墨烯導(dǎo)電填料并以此制備石墨烯導(dǎo)電油墨。然而此法制備效率不高，石墨烯片層分布大，片徑大小不一，且DMF和NMP溶劑毒性大導(dǎo)致其并不適用于商業(yè)化應(yīng)用。近來也出現(xiàn)利用混合溶劑液相剝離石墨烯材料制備石墨烯導(dǎo)電油墨的報(bào)道，通過調(diào)控綠色溶劑乙醇與水之間的配比獲得表面能與石墨烯相近的混合溶劑并以此剝離得到石墨烯。此法過程相對(duì)簡(jiǎn)單，且避免了有毒有害溶劑，然而對(duì)于石墨烯的分散性問題或者過多絕緣的表面活性劑的加入都將阻礙液相剝離法在導(dǎo)電油墨領(lǐng)域的應(yīng)用。因此若能避免高沸點(diǎn)有毒溶劑與絕緣的表面活性劑的使用，制備一類具備溶劑安全環(huán)保、無表面活性劑、高穩(wěn)定分散、高導(dǎo)電性、可印刷柔性薄膜的石墨烯導(dǎo)電油墨將推動(dòng)下一代柔性電子器件的發(fā)展。