看！原来耐弯折、可水洗的穿戴标签天线用电子油墨这么制作出来的

时间：2020-02-13 来源：科印网

      随着万物互联5G时代的到来，市场上对RFID智能识别产品的需求量越来越大，尤其是随着大健康概念深入人心，许多可穿戴RFID智能产品逐渐进入我们视野，可穿戴标签也应运而生，如图1所示。然而，很多可穿戴标签在使用过程中，其导电线路容易产生一定程度的挤压、拉伸、扭曲、褶皱等变形，从而给导电涂层带来不同程度的损伤。由于二维片层的石墨烯与一维的碳纳米管具有一定的耐弯折、耐拉伸性能，使得石墨烯导电油墨、大规模批量化生产工艺成为现在可穿戴产品与电子标签技术结合的攻克点。

　　本文以石墨烯、碳纳米管为主要的导电填充料，高弹性树脂为粘结料，耐水洗的高分子乳液为助剂，来探讨不同配比下的油墨对RFID丝印油墨涂层耐弯折、耐水洗等性能的影响，并调整合适的丝网印刷参数，最终实现线条清晰、无锯齿、综合性能稳定的标签天线线条的印刷。

　　弹性石墨烯导电油墨的制备

　　1.实验材料

　　制备石墨烯导电油墨所需的材料有：(1)高弹性树脂：改性橡胶树脂、水性PU树脂、硅胶树脂;(2)耐拉伸导电填充料：大片径石墨烯(层数≤10)、AC7碳纳米管(少壁);(3)耐水洗高分子乳液助剂;(4)石墨烯导电油墨试剂：去离子水、分析纯乙醇、DBE洗版液。

      2.弹性石墨烯导电油墨制备步骤

      为使石墨烯在弹性树脂中稳定分散并表现出自身优异的性能，需要对石墨烯进行改性处理。改性处理的方法主要有两种：一是通过反应物与石墨烯形成共价键，使其在油墨中的浓度增加，但该方法改变了石墨烯自身的结构，影响其自身性能;二是通过在制备石墨烯过程中或者在制备油墨中添加一些稳定剂，如小分子稳定剂、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂等，在满足石墨烯稳定分散的同时，可以发挥其较高的导电性能。 目前虽然弹性石墨烯导电油墨的制备方法较多，加料方式不同、制备工艺也多样化，但其大体设计思路如图2所示，即将石墨烯、分散剂、溶剂、弹性树脂、助剂等材料加入搅拌分散罐中，充分球磨分散，使油墨细度降至10μm以下，即得弹性导电油墨。

　　具体操作步骤为：量取等离子水300ml，称取5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入去离子水中，充分搅拌使分散剂PVP完全溶解，标为试剂1;称取弹性树脂乳液50g，慢慢混入试剂1中，并称取石墨烯粉30g，逐渐加入上述混合溶液中;边球磨边加料，若粘度过大，可适当添加降粘剂调节，直至石墨烯粉体完全添加完毕。整个过程以转速为4000～4500r/min的速度球磨分散，并每隔半小时监控浆料细度，直至细度降至10μm以下，即得弹性导电油墨。 此外，为了调整弹性导电油墨的耐弯折、耐水洗性能，保证弹性导电油墨的正常导电性能，分别调整弹性树脂比例为15%、25%、40%、60%，制作成不同配比的弹性浆料，最后添加助剂，使上述浆料具有较好印刷适性，实现导电油墨的丝网印刷。

       弹性石墨烯导电油墨常规性能表征

　　1.弹性石墨烯导电油墨常规性能测试方法

　　首先，测试油墨细度。使用刮板细度计，取适量油墨液体，按照GB T13217.3-2008《液体油墨细度检验方法》的规定执行，检测油墨粒度。

       其次，测试油墨的导电性。用可调试涂膜器将导电油墨涂布在聚酯基材或环氧树脂基材等膜表面，经过烘箱干燥后，使用四探针测试仪，测试规定膜层厚度的电阻，即为该厚度下的方阻值。

       随后，测试成膜性能及附着力。观察成膜是否有孔、颜色是否均一;使用百格刀，纵横划10条线，形成100个小格子，使用3M胶带粘牢，从一端撕起，观察脱落的方格数，并评定为1～5级别。

       最后，测试成膜膜厚。使用千分尺测试成膜基材厚度，记为d1;再测涂膜处的厚度(包括基材与涂层总体厚度)，记为d2;对两厚度作差，即为该导电涂层膜厚。 

      汇总以上测试的弹性石墨烯导电油墨常规性能，指标如表1所示。

　　2.弹性石墨烯导电油墨树脂种类及其添加量的影响

　　为验证不同树脂及其添加量对油墨耐弯折、耐水洗性能的影响，首先分别选用不同类型的树脂，并调整其比例分别为15%、25%、40%、60%，制作成不同树脂、不同配比的弹性浆料，在满足正常印刷性能的同时，可以实现丝网印刷制备。

      实验中分别选择以下树脂，最终筛选出树脂LX-088乳液具有比较好的耐弯折、耐拉伸、耐水性效果，具体实验结果如表2所示。

　　具体来看，当LX-088乳液的添加量分别为15%、25%、40%、60%时，使测试样品涂层厚度保持一致，以保证涂层不发生裂纹产生的最大形变量为衡量目标，具体测试结果如图3所示。

　　综上实验分析可以看出，通过调整树脂及其添加比例，所制备的弹性油墨具有不同耐弯折、拉伸、扭折性能，由于可穿戴的一般固定在衣服或直接贴敷在皮肤表面的标签产生的形变较小，所以在一定范围内，该弹性油墨可以满足正常使用中的形变需求。此外，对油墨涂层耐水洗性能进行测试，最后可以承受至少50次水洗。测试细节如图4所示。

　　弹性石墨烯导电油墨在印刷标签天线中的应用

　　制备上述弹性石墨烯导电油墨，选用丝网印刷打样机，调整合适的印刷适性，如油墨黏度、流动性、刮刀角度、印刷压力等多个因素，测试油墨线条的印刷性能。通过实验发现，当油墨粘度为3000cp、气压调节值为0.3MPa、网版目数为200目、刮刀角度为60°时，天线线条较完整清晰。

      总之，制备的弹性石墨烯导电油墨可以印刷各种射频天线标签、NFC标签线路，适合应用于一些挤压、拉伸、扭曲、褶皱等变形的场合，也可有效避免导电涂层不被损伤。此外，该弹性石墨烯导电油墨也可用于一些可穿戴电子、柔性电子、可穿戴传感器等柔性或弹性器件电路的制作。

本文来源：科印网

作者：陈锦彬