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石墨烯導電油墨新生產工藝:廉價高效且可量產商用!

石墨烯導電油墨新生產工藝:廉價高效且可量產商用!

導讀

最近,歐盟石墨烯旗艦項目英國劍橋大學石墨烯中心的科研人員一起開發了一種新工藝,它能生產高質量高濃度水基石墨烯導電油墨。它使用了微流化法超高剪切力,從石墨中剝離出石墨烯薄片,它能將原始的石墨材料100%轉化為有用的導電油墨片,並且無需離心分離處理,節約了生產油墨的時間。研究成果發表於美國化學會《納米》雜誌。

背景

導電油墨,具有廣泛的應用,例如印刷柔性電子器件:射頻識別(RFID)天線、晶體管、太陽能電池。物聯網為我們日常生活中的物品帶來新的連接性,一個很好的例子就是RFID標籤的食品包裝。然而,為了滿足物聯網和電子設備發展的需求,我們要能使用穩定的導電的無毒的器件,低成本且高效地生產電子設備。

印刷多層材料

這種由微流化法生產出油墨,濃度高達每升100克石墨烯片這種經微流化工藝處理的石墨烯混合物,通過最有效的流變學修改器和穩定器處理,可被優化用於絲網印刷

劍橋大學研究員,研究的領銜者 Panagiotis Karagiannidis 認為:

「研究動機在於使用高濃度油墨絲網印刷低薄層電阻的多層材料。」

除石墨烯外,該方法可以簡單地用於其他的多層材料,例如六方氮化硼或者過渡金屬二硫化物,從而能夠提供一組可印刷的電路元件(導體、絕緣體、半導體),構建具有不同功能的電路。

部分經由微流化工藝處理的石墨烯油墨。

(圖片來源:James Macleod/劍橋大學工程系)

石墨烯導電油墨性能極佳

這些產量很高的油墨含有未經化學修改的多層石墨烯,最終印刷成的材料具有優秀的導電性能。這種油墨也具有極好的薄層電阻,低於2 Ω/sq,適用於RFID天線、光電和能量存儲設備的電極,並且特別適合於低成本的應用。

微流化法

微流化法處理過程中,石墨粉與水混合,然後加入表面活性劑,防止薄片聚集到一起。這種混合物通過微流化床裝置,在一個曲形的微管道中接收高壓處理。然後,湍流會通過具有金剛石塗層的微通道,從而達到108 s-1 的超高剪切速率,將石墨剝離成幾層薄片。更重要地是,所有的混合物都會流過微管道,經歷高速剪切。這個過程可重複進行,從而達到符合要求的石墨烯薄片尺寸。

(圖片來源:石墨烯旗艦項目/劍橋大學工程系)

Karagiannidis 補充說道:

「所有的原始混合物,都同樣經歷了統一的密集裁剪,轉化為有用的高濃度油墨。這個后加工處理過程中,並沒有材料或者時間的浪費。」

可量產和商業化

(圖片來源:石墨烯旗艦項目/劍橋大學工程系)

西班牙國家研究委員會(CSIC) 的 Mar García-Hernandez ,是「石墨烯旗艦項目工作包啟用材料」(Graphene Flagship Work Package Enabling Materials)項目的領頭人,該項目主要專註於為石墨烯和其他多層材料,開發可量產的合成方法。她評論說:

「對於應用於有機光電、RFID天線、導電塗料和納米複合材料等領域的低成本、環境友好的石墨烯油墨來說,微流化法是一次巨大的飛躍。在真實世界的設備中,該方法擴大了多層材料的應用範圍。」

石墨烯油墨要應用於印刷電子器件和其他方面,一個重要的問題就是可量產性微流化法具有100%的產量,能夠產出高質量的石墨烯,很好地滿足了商業化產品的量產需求。

該方法製造的油墨,已經被劍橋大學剝離的公司「劍橋石墨烯」(它最近被工程解決方案公司Versarien收購)進行了商業化。同時,這種油墨也應用於石墨烯旗艦項目的合作夥伴英國 Novalia 公司,用於他們的互動觸摸式印刷電子器件(互動式新聞紙)的演示中。Novalia Chris Jones 評論道 :

「對於具有可行性的市場應用,材料需要低成本易於控制性能穩定。我們使用了未經任何修改的、普通的工業絲網印刷設備,得到了穩定的結果,印刷了數以百計的世界移動大會的互動演示器。這十分令人興奮,它成為了實驗室和公眾之間的關鍵連接點。」

石墨烯旗艦項目的科學技術總監,管理團隊的主席 Andrea Ferrari 說道:

「這是一個重要的概念性進展,將顯著推進旗艦項目的創新和工業化。這個工藝已經得到了許可,並進行了商業化。即使在旗艦項目的生命周期內,它也能減少從實驗室走向市場的時間。」

參考資料

【1】http://graphene-flagship.eu/scalable-graphene-inks

【2】Panagiotis G. Karagiannidis, Stephen A. Hodge, Lucia Lombardi, Flavia Tomarchio, Nicolas Decorde, Silvia Milana, Ilya Goykhman, Yang Su, Steven V. Mesite, Duncan N. Johnstone, Rowan K. Leary, Paul A. Midgley, Nicola M. Pugno, Felice Torrisi, Andrea C Ferrari. Microfluidization of Graphite and Formulation of Graphene-Based Conductive Inks. ACS Nano, 2017; DOI: 10.1021/acsnano.6b07735

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