[发明专利]石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨及制备方法和柔性纸基书写导电线路

说明书

技术领域

本发明涉及石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨及其制备方法，属于材料科学领域。

背景技术

低成本化、多功能化、高性能化已成为目前印刷电子的发展趋势，导电油墨作为印制电子技术中使用的核心材料，其诸多优势受到了人们的广泛关注。纯炭黑导电油墨成本低、质量轻、性能稳定，但其导电性能不佳；石墨烯具有优异的导电性能，是制备高导电性油墨的理想导电相，但其价格高、易团聚。从理论上看，将石墨烯与炭黑作为复合导电相制备石墨烯基导电油墨，不仅可防止石墨烯的团聚，而且可制备出性能稳定的高导电性导电油墨。目前，氧化还原法中的化学还原是一种既能得到高性能石墨烯、又能适合工业化生产的石墨烯生产技术。在化学还原法中，采用肼类还原剂制备还原氧化石墨烯的技术已经成熟，但是还原剂的毒性问题受到了环境学家的广泛质疑。采用抗坏血酸（VC）等绿色还原剂制备还原氧化石墨烯是近年来石墨烯制备的研究热点，采用该方法不仅可预防肼类毒性还原剂对环境的伤害，而且所得到的还原氧化石墨烯仍然存在少量亲水的含氧基团，从而得到分散良好的还原氧化石墨烯水溶液，特别适合作为水性油墨的导电相。然而，也正是由于这部分含氧基团的存在，采用绿色还原剂制备的还原氧化石墨烯的导电性并不能达到石墨烯理想导电性能。聚吡咯是一种稳定性优良，易于原位聚合成膜，具有高导电性、生物相容性等优点的导电聚合物。目前已经有关于聚吡咯/碳基材料复合双组份甚至多组分材料的报道，例如可以作为超级电容器电极材料的碳基聚吡咯/碳纳米管复合物，用于高效率染料敏化太阳能电池的聚吡咯/石墨薄片复合材料等。研究表明，聚吡咯/碳基纳米材料中的C原子拥有局部网络传导结构，电子能够通过隧道效应增加电导性。对于石墨薄片等碳基材料，无特定形貌的石墨烯/聚吡咯复合材料在机械、电学、传感器、超级电容器材料等众多领域均表现出优异性能。但迄今为止，采用石墨烯/聚吡咯复合材料作为导电油墨导电相的研究未见报道。本发明充分发挥聚吡咯、石墨烯和炭黑的协同导电效应，以聚吡咯和石墨烯原位聚合而成的复合材料与炭黑复合形成导电相，采取简单混溶法，制备性能优良的导电油墨。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨的制备方法，其制备的油墨导电性和稳定性良好，有望应用于导电线路的构建。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：以石墨烯/聚吡咯复合材料和炭黑的混合物作为导电填料，以乙醇、乙二醇、丙三醇、去离子水的混合溶液为溶剂，以羧甲基纤维素钠作为粘合剂和稳定剂，制备导电油墨。

本发明石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨的制备方法，包括以下步骤：

A、将炭黑和石墨烯/聚吡咯复合材料混合后充分研磨得到混合导电填料；

B、制备乙醇、乙二醇、丙三醇和去离子水混合溶剂；

C、将A制得的复合导电填料、B制得的混合溶剂与羧甲基纤维素钠混合，并经超声处理、离心分离，所得上清液即为石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨。

进一步的，步骤A中所述石墨烯/聚吡咯复合材料占混合导电填料的质量比为1 %-40 %。

进一步的，步骤B中所述量取乙醇、乙二醇、丙三醇、去离子水的量分别为10-15 mL、28-32 mL、28-32 mL、50-55 mL，

进一步的，步骤C中所述羧甲基纤维素钠是复合导电填料质量的50-80 %。

上述的石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨的制备方法，所述石墨烯按下述方法制备：

以天然石墨粉为原料，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯，利用还原剂还原氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯。

进一步的，制备石墨烯时，还原剂为维生素C、葡萄糖和果糖。

进一步的，所述还原氧化石墨烯时，还原时间不超过5 h，还原温度为80 ℃-100 ℃，还原剂与氧化石墨烯的质量比为1:5-15。

上述的石墨烯/聚吡咯/炭黑导电油墨的制备方法，所述石墨烯/聚吡咯复合材料按下述方法制备：

以石墨烯和吡咯单体为原料，采用原位聚合法，得到石墨烯/聚吡咯复合材料。

进一步的，采用原位聚合法制备石墨烯/聚吡咯复合材料时，石墨烯、吡咯、六水合三氯化铁的质量比为1:9-11:68-75，优选1:10:70。

进一步的，所述制备石墨烯/聚吡咯复合材料时，反应时间不超过5 h，还原温度为80 ℃-100 ℃。

进一步的，所述步骤C中超声处理条件为：功率为800-1000 W，超声时间不超过1 h；离心分离条件为：转速为7000-9000 r/min、时间不超过1 h。