原來(lái)耐彎折、可水洗的穿戴標(biāo)簽天線用電子油墨這么制作出來(lái)的

隨著萬(wàn)物互聯(lián)5G時(shí)代的到來(lái)，市場(chǎng)上對(duì)RFID智能識(shí)別產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，尤其是隨著大健康概念深入人心，許多可穿戴RFID智能產(chǎn)品逐漸進(jìn)入我們視野，可穿戴標(biāo)簽也應(yīng)運(yùn)而生，如圖1所示。然而，很多可穿戴標(biāo)簽在使用過(guò)程中，其導(dǎo)電線路容易產(chǎn)生一定程度的擠壓、拉伸、扭曲、褶皺等變形，從而給導(dǎo)電涂層帶來(lái)不同程度的損傷。由于二維片層的石墨烯與一維的碳納米管具有一定的耐彎折、耐拉伸性能，使得石墨烯導(dǎo)電油墨、大規(guī)模批量化生產(chǎn)工藝成為現(xiàn)在可穿戴產(chǎn)品與電子標(biāo)簽技術(shù)結(jié)合的攻克點(diǎn)。

本文以石墨烯、碳納米管為主要的導(dǎo)電填充料，高彈性樹(shù)脂為粘結(jié)料，耐水洗的高分子乳液為助劑，來(lái)探討不同配比下的油墨對(duì)RFID絲印油墨涂層耐彎折、耐水洗等性能的影響，并調(diào)整合適的絲網(wǎng)印刷參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)線條清晰、無(wú)鋸齒、綜合性能穩(wěn)定的標(biāo)簽天線線條的印刷。

彈性石墨烯導(dǎo)電油墨的制備

1.實(shí)驗(yàn)材料

制備石墨烯導(dǎo)電油墨所需的材料有：(1)高彈性樹(shù)脂：改性橡膠樹(shù)脂、水性PU樹(shù)脂、硅膠樹(shù)脂;(2)耐拉伸導(dǎo)電填充料：大片徑石墨烯(層數(shù)≤10)、AC7碳納米管(少壁);(3)耐水洗高分子乳液助劑;(4)石墨烯導(dǎo)電油墨試劑：去離子水、分析純乙醇、DBE洗版液。 2.彈性石墨烯導(dǎo)電油墨制備步驟

為使石墨烯在彈性樹(shù)脂中穩(wěn)定分散并表現(xiàn)出自身優(yōu)異的性能，需要對(duì)石墨烯進(jìn)行改性處理。改性處理的方法主要有兩種：一是通過(guò)反應(yīng)物與石墨烯形成共價(jià)鍵，使其在油墨中的濃度增加，但該方法改變了石墨烯自身的結(jié)構(gòu)，影響其自身性能;二是通過(guò)在制備石墨烯過(guò)程中或者在制備油墨中添加一些穩(wěn)定劑，如小分子穩(wěn)定劑、非離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑等，在滿足石墨烯穩(wěn)定分散的同時(shí)，可以發(fā)揮其較高的導(dǎo)電性能。 目前雖然彈性石墨烯導(dǎo)電油墨的制備方法較多，加料方式不同、制備工藝也多樣化，但其大體設(shè)計(jì)思路如圖2所示，即將石墨烯、分散劑、溶劑、彈性樹(shù)脂、助劑等材料加入攪拌分散罐中，充分球磨分散，使油墨細(xì)度降至10μm以下，即得彈性導(dǎo)電油墨。

具體操作步驟為：量取等離子水300ml，稱取5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入去離子水中，充分?jǐn)嚢枋狗稚㏄VP完全溶解，標(biāo)為試劑1;稱取彈性樹(shù)脂乳液50g，慢慢混入試劑1中，并稱取石墨烯粉30g，逐漸加入上述混合溶液中;邊球磨邊加料，若粘度過(guò)大，可適當(dāng)添加降粘劑調(diào)節(jié)，直至石墨烯粉體完全添加完畢。整個(gè)過(guò)程以轉(zhuǎn)速為4000～4500r/min的速度球磨分散，并每隔半小時(shí)監(jiān)控漿料細(xì)度，直至細(xì)度降至10μm以下，即得彈性導(dǎo)電油墨。 此外，為了調(diào)整彈性導(dǎo)電油墨的耐彎折、耐水洗性能，保證彈性導(dǎo)電油墨的正常導(dǎo)電性能，分別調(diào)整彈性樹(shù)脂比例為15%、25%、40%、60%，制作成不同配比的彈性漿料，最后添加助劑，使上述漿料具有較好印刷適性，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電油墨的絲網(wǎng)印刷。

彈性石墨烯導(dǎo)電油墨常規(guī)性能表征

1.彈性石墨烯導(dǎo)電油墨常規(guī)性能測(cè)試方法

首先，測(cè)試油墨細(xì)度。使用刮板細(xì)度計(jì)，取適量油墨液體，按照GB T13217.3-2008《液體油墨細(xì)度檢驗(yàn)方法》的規(guī)定執(zhí)行，檢測(cè)油墨粒度。 其次，測(cè)試油墨的導(dǎo)電性。用可調(diào)試涂膜器將導(dǎo)電油墨涂布在聚酯基材或環(huán)氧樹(shù)脂基材等膜表面，經(jīng)過(guò)烘箱干燥后，使用四探針測(cè)試儀，測(cè)試規(guī)定膜層厚度的電阻，即為該厚度下的方阻值。 隨后，測(cè)試成膜性能及附著力。觀察成膜是否有孔、顏色是否均一;使用百格刀，縱橫劃10條線，形成100個(gè)小格子，使用3M膠帶粘牢，從一端撕起，觀察脫落的方格數(shù)，并評(píng)定為1～5級(jí)別。 最后，測(cè)試成膜膜厚。使用千分尺測(cè)試成膜基材厚度，記為d1;再測(cè)涂膜處的厚度(包括基材與涂層總體厚度)，記為d2;對(duì)兩厚度作差，即為該導(dǎo)電涂層膜厚。 匯總以上測(cè)試的彈性石墨烯導(dǎo)電油墨常規(guī)性能，指標(biāo)如表1所示。

2.彈性石墨烯導(dǎo)電油墨樹(shù)脂種類及其添加量的影響  

為驗(yàn)證不同樹(shù)脂及其添加量對(duì)油墨耐彎折、耐水洗性能的影響，首先分別選用不同類型的樹(shù)脂，并調(diào)整其比例分別為15%、25%、40%、60%，制作成不同樹(shù)脂、不同配比的彈性漿料，在滿足正常印刷性能的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)絲網(wǎng)印刷制備。 實(shí)驗(yàn)中分別選擇以下樹(shù)脂，最終篩選出樹(shù)脂LX-088乳液具有比較好的耐彎折、耐拉伸、耐水性效果，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

具體來(lái)看，當(dāng)LX-088乳液的添加量分別為15%、25%、40%、60%時(shí)，使測(cè)試樣品涂層厚度保持一致，以保證涂層不發(fā)生裂紋產(chǎn)生的最大形變量為衡量目標(biāo)，具體測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

綜上實(shí)驗(yàn)分析可以看出，通過(guò)調(diào)整樹(shù)脂及其添加比例，所制備的彈性油墨具有不同耐彎折、拉伸、扭折性能，由于可穿戴的一般固定在衣服或直接貼敷在皮膚表面的標(biāo)簽產(chǎn)生的形變較小，所以在一定范圍內(nèi)，該彈性油墨可以滿足正常使用中的形變需求。此外，對(duì)油墨涂層耐水洗性能進(jìn)行測(cè)試，最后可以承受至少50次水洗。測(cè)試細(xì)節(jié)如圖4所示。

彈性石墨烯導(dǎo)電油墨在印刷標(biāo)簽天線中的應(yīng)用

制備上述彈性石墨烯導(dǎo)電油墨，選用絲網(wǎng)印刷打樣機(jī)，調(diào)整合適的印刷適性，如油墨黏度、流動(dòng)性、刮刀角度、印刷壓力等多個(gè)因素，測(cè)試油墨線條的印刷性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油墨粘度為3000cp、氣壓調(diào)節(jié)值為0.3MPa、網(wǎng)版目數(shù)為200目、刮刀角度為60°時(shí)，天線線條較完整清晰。 總之，制備的彈性石墨烯導(dǎo)電油墨可以印刷各種射頻天線標(biāo)簽、NFC標(biāo)簽線路，適合應(yīng)用于一些擠壓、拉伸、扭曲、褶皺等變形的場(chǎng)合，也可有效避免導(dǎo)電涂層不被損傷。此外，該彈性石墨烯導(dǎo)電油墨也可用于一些可穿戴電子、柔性電子、可穿戴傳感器等柔性或彈性器件電路的制作。