瑞士開發可生物降解的電子墨水使 3D 列印電子產品更加環保

可生物降解的電子墨水用含碳蟲膠透過3D列印印刷電路

用於一次性印刷電子產品的可生物降解多功能碳載蟲膠油墨

【導讀】：

帶有感測器的智慧包裝可以監控長途運輸路線上的貨物（例如蔬菜）是未來的趨勢。然而，印刷和一次性電子產品也帶來了問題：印刷油墨中的金屬價格昂貴——而且以無害環境的方式處理它們成本高昂，並加劇了電子廢物的問題。Empa 研究人員的新解決方案旨在解決這個問題。

非保形印刷：柔性蟲膠油墨也可用於 PET 瓶等形狀。

更精確、更快、更便宜：多年來，世界各地的研究人員一直致力於使用增材工藝製造電路，例如機器人 3D 列印（所謂的機器人鑄造）並取得了巨大成功，但這現在正成為一個問題。使這種 3D 基板具有導電性的金屬顆粒正在加劇電子廢物的問題，尤其是鑑於新型一次性感測器產生的廢物在未來可能會增加，其中一些僅使用幾天。大多數 3D 列印電路由導電油墨製成，其中包含重金屬和不可再生的石油基聚合物。由於這些電路易於印刷且成本低廉，因此它們非常適合一次性電子裝置。但是，一旦這些裝置被扔掉，回收或安全處理其中的墨水可能會非常困難。

為了尋求更環保的替代品，瑞士 Empa 研究所的研究人員開發了一種 3D 可列印電子墨水，由可再生材料製成，暴露在自然環境中後會分解，也可以用酒精去除。

細長的石墨薄片提供了墨水的大部分導電性，導電炭黑顆粒用於彌合這些薄片之間的間隙。這兩種廉價形式的碳包含在蟲膠基質中，蟲膠來源於紫膠昆蟲分泌的樹脂。

含碳和蟲膠

正如他們最近在《 Scientific Reports.》雜誌上報道的那樣，研究人員選擇了廉價的碳作為導電材料。更準確地說：細長的石墨片與微小的煤煙顆粒混合，在這些片之間建立電接觸——所有這些都在一個由眾所周知的生物材料製成的基質中：蟲膠，它是從介殼蟲的排洩物中獲得的。過去，它是用來做記錄的；今天，除其他外，它被用作木製樂器和指甲的清漆。它的優勢完全符合研究人員的期望配置檔案。最重要的是，它可溶於酒精——一種廉價的溶劑，在塗上墨水後會蒸發以使其變幹。

儘管有這些成分，但這項任務仍然具有挑戰性。這是因為無論是用於簡單的絲網印刷還是現代 3D 印表機，墨水都必須表現出剪下稀化行為：靜止時，墨水是粘稠的。但在印刷的那一刻，當它受到橫向剪下力時，它會變得更加流動——就像不滴落的牆漆一樣，只有在滾筒的作用下才會獲得更柔軟的稠度。然而，當使用機械臂進行 3D 列印等增材製造時，這尤其棘手：太粘稠的墨水會太堅韌——但如果它在列印過程中變得太液體，固體成分可能會分離並堵塞印表機的小噴嘴。

用於印刷電路的新型材料：距離 3D 印表機一釐米寬的兩個測試長方體。在背景中可以看到印刷的電子感測器。

實際應用測試

為了滿足要求，研究人員對墨水配方進行了大量修改。他們測試了兩種尺寸的石墨片：長度為 40 微米和 7 到 10 微米。石墨和炭黑的混合比例也需要有很多變化，因為過多的炭黑會使材料變脆，隨著墨水變幹而有開裂的風險。透過最佳化成分的配方和相對組成，該團隊能夠開發出多種墨水變體，可用於不同的 2D 和 3D 列印工藝。

“最大的挑戰是實現高導電性，”參與其中的研究人員之一 Xavier Aeby 說，“同時形成碳、石墨和蟲膠的凝膠狀網路。” 該團隊分幾個步驟研究了這種材料在實踐中的表現。例如，使用一個微小的測試長方體：來自 3D 印表機的 15 個疊加網格——由直徑僅為 0.4 毫米的細線製成。這表明墨水也足以滿足要求苛刻的工藝，例如機器人鑄造。

印刷叉指電極

為了證明其適用於真實元件，研究人員構建了一個變形感測器：一種薄的 PET 條，上面印有墨水結構，其電阻隨著不同程度的彎曲而精確變化。此外，拉伸強度測試、水下穩定性和其他特性顯示出令人鼓舞的結果——因此研究團隊相信這種已經獲得專利的新材料可以在實踐中證明自己。Gustav Nyström 說：“我們希望這種墨水系統可用於可持續印刷電子產品中的應用，例如，用於智慧包裝和生物醫學裝置或食品和環境感測領域中的導電軌道和感測器元件。”