原來耐彎折、可水洗的穿戴標籤天線用電子油墨這麼製作出來的

2020-12-04 RFID世界網

隨著萬物互聯5G時代的到來，市場上對RFID智能識別產品的需求量越來越大，尤其是隨著大健康概念深入人心，許多可穿戴RFID智能產品逐漸進入我們視野，可穿戴標籤也應運而生，如圖1所示。然而，很多可穿戴標籤在使用過程中，其導電線路容易產生一定程度的擠壓、拉伸、扭曲、褶皺等變形，從而給導電塗層帶來不同程度的損傷。由於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，使得石墨烯導電油墨、大規模批量化生產工藝成為現在可穿戴產品與電子標籤技術結合的攻克點。

本文以石墨烯、碳納米管為主要的導電填充料，高彈性樹脂為粘結料，耐水洗的高分子乳液為助劑，來探討不同配比下的油墨對RFID絲印油墨塗層耐彎折、耐水洗等性能的影響，並調整合適的絲網印刷參數，最終實現線條清晰、無鋸齒、綜合性能穩定的標籤天線線條的印刷。

彈性石墨烯導電油墨的製備

1.實驗材料

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

為使石墨烯在彈性樹脂中穩定分散並表現出自身優異的性能，需要對石墨烯進行改性處理。改性處理的方法主要有兩種：一是通過反應物與石墨烯形成共價鍵，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構，影響其自身性能;二是通過在製備石墨烯過程中或者在製備油墨中添加一些穩定劑，如小分子穩定劑、非離子表面活性劑、陽離子表面活性劑等，在滿足石墨烯穩定分散的同時，可以發揮其較高的導電性能。 目前雖然彈性石墨烯導電油墨的製備方法較多，加料方式不同、製備工藝也多樣化，但其大體設計思路如圖2所示，即將石墨烯、分散劑、溶劑、彈性樹脂、助劑等材料加入攪拌分散罐中，充分球磨分散，使油墨細度降至10μm以下，即得彈性導電油墨。

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，充分攪拌使分散劑PVP完全溶解，標為試劑1;稱取彈性樹脂乳液50g，慢慢混入試劑1中，並稱取石墨烯粉30g，逐漸加入上述混合溶液中;邊球磨邊加料，若粘度過大，可適當添加降粘劑調節，直至石墨烯粉體完全添加完畢。整個過程以轉速為4000～4500r/min的速度球磨分散，並每隔半小時監控漿料細度，直至細度降至10μm以下，即得彈性導電油墨。 此外，為了調整彈性導電油墨的耐彎折、耐水洗性能，保證彈性導電油墨的正常導電性能，分別調整彈性樹脂比例為15%、25%、40%、60%，製作成不同配比的彈性漿料，最後添加助劑，使上述漿料具有較好印刷適性，實現導電油墨的絲網印刷。

彈性石墨烯導電油墨常規性能表徵

1.彈性石墨烯導電油墨常規性能測試方法

首先，測試油墨細度。使用刮板細度計，取適量油墨液體，按照GB T13217.3-2008《液體油墨細度檢驗方法》的規定執行，檢測油墨粒度。 其次，測試油墨的導電性。用可調試塗膜器將導電油墨塗布在聚酯基材或環氧樹脂基材等膜表面，經過烘箱乾燥後，使用四探針測試儀，測試規定膜層厚度的電阻，即為該厚度下的方阻值。 隨後，測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個小格子，使用3M膠帶粘牢，從一端撕起，觀察脫落的方格數，並評定為1～5級別。 最後，測試成膜膜厚。使用千分尺測試成膜基材厚度，記為d1;再測塗膜處的厚度(包括基材與塗層總體厚度)，記為d2;對兩厚度作差，即為該導電塗層膜厚。 匯總以上測試的彈性石墨烯導電油墨常規性能，指標如表1所示。

2.彈性石墨烯導電油墨樹脂種類及其添加量的影響  

為驗證不同樹脂及其添加量對油墨耐彎折、耐水洗性能的影響，首先分別選用不同類型的樹脂，並調整其比例分別為15%、25%、40%、60%，製作成不同樹脂、不同配比的彈性漿料，在滿足正常印刷性能的同時，可以實現絲網印刷製備。 實驗中分別選擇以下樹脂，最終篩選出樹脂LX-088乳液具有比較好的耐彎折、耐拉伸、耐水性效果，具體實驗結果如表2所示。

具體來看，當LX-088乳液的添加量分別為15%、25%、40%、60%時，使測試樣品塗層厚度保持一致，以保證塗層不發生裂紋產生的最大形變量為衡量目標，具體測試結果如圖3所示。

綜上實驗分析可以看出，通過調整樹脂及其添加比例，所製備的彈性油墨具有不同耐彎折、拉伸、扭折性能，由於可穿戴的一般固定在衣服或直接貼敷在皮膚表面的標籤產生的形變較小，所以在一定範圍內，該彈性油墨可以滿足正常使用中的形變需求。此外，對油墨塗層耐水洗性能進行測試，最後可以承受至少50次水洗。測試細節如圖4所示。

彈性石墨烯導電油墨在印刷標籤天線中的應用

製備上述彈性石墨烯導電油墨，選用絲網印刷打樣機，調整合適的印刷適性，如油墨黏度、流動性、刮刀角度、印刷壓力等多個因素，測試油墨線條的印刷性能。通過實驗發現，當油墨粘度為3000cp、氣壓調節值為0.3MPa、網版目數為200目、刮刀角度為60°時，天線線條較完整清晰。 總之，製備的彈性石墨烯導電油墨可以印刷各種射頻天線標籤、NFC標籤線路，適合應用於一些擠壓、拉伸、扭曲、褶皺等變形的場合，也可有效避免導電塗層不被損傷。此外，該彈性石墨烯導電油墨也可用於一些可穿戴電子、柔性電子、可穿戴傳感器等柔性或彈性器件電路的製作。

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