[发明专利]包含碳纳米管和石墨烯片材的分散体

说明书

本发明涉及一种包含碳纳米管和石墨烯片材（graphene platelet）并且这些组分具有特定重量比的分散体。本发明还涉及一种制备所述分散体的方法、其作为印刷油墨用于制备导电薄膜的用途以及基于其的导电薄膜。

印刷电子器件(printed electronic)越来越多地用于多种应用，例如便携式电子产品、标记、照明、产品标识、柔性电子产品（其可例如卷绕或变形）、光电池、医药设备、天线（特别是RFID天线）、显示器、传感器、薄膜电池、电极以及许多其他应用。印刷电子器件与起传统电子器件相比具有多种优势。导电结构的印刷可以比传统过程的减成法(substractive process)（例如蚀刻）更快捷、产生更少的废料，并涉及更少量的有毒化学品。得到的电子器件可以更简便地用于柔性应用，例如可卷绕、扭曲、弯曲或者变形的柔性显示器。

印刷电子器件通常通过使用导电的金属油墨使导电带(conductor track)或电路的其他组分印刷在基底上来制备。所述油墨通常含有银颗粒，且有时含有铜颗粒、其他金属颗粒和/或导电聚合物。然而，仅导电聚合物通常不具有足够的导电性。此外，得到的印刷金属电路在柔性应用中——金属电路在其中通过弯曲和/或拉伸而规则地机械变形——仅有不足的导电性。

印刷基底通常需要在高温下进行后续烧结，以使导电金属颗粒彼此连接从而获得所需的导电性。烧结过程所需的温度通常限制了制造所述电子器件的基底的选择。虽然便宜的材料如纸、聚烯烃（例如聚丙烯）等可在多种应用中用作印刷电子器件的基底，但是通常所需的烧结温度对于这些材料能够使用的温度而言过高。此外，银很昂贵，而碱金属暴露于空气时会形成氧化物，并且这些使得所述材料对于各个应用的导电性不足。

此外，使用金属基油墨会导致得到的组件重量增加，并且由于上述烧结过程，会增加一个或多个额外步骤，增加生产过程的时间和复杂度。因此，希望使用不含昂贵的贵金属的油墨来获得印刷电子组件。

鉴于该背景，US2007/0284557A1和US2009/0017211A1公开了一种透明且导电的薄膜，其含有石墨烯片材网络。所述薄膜也可含有其他纳米结构、聚合物和/或官能化试剂的交叉式网络。该专利申请还记载了制造所述薄膜的方法，例如通过将石墨烯片材置于溶液中并且去除溶剂。这些专利申请还在一个实施例中公开了石墨烯-CNT复合物作为所述薄膜的组分，但是没有给出关于石墨烯和CNT的相对比例的更详细的信息。

US2007/0158610A1涉及一种在亲水传热液体中制造碳纳米颗粒的稳定悬浮液以提高传热性和其他特性例如防冻液的凝固点的方法。该方法包括以下步骤：在超声波的短暂作用下，在表面活性剂的存在下，使碳纳米颗粒直接分散在传热液体与其他添加剂的混合物中。

US2010/0000441A1涉及一种导电油墨，其基于石墨烯片材并且包含（a）石墨烯纳米片材（优选未氧化或原始石墨烯）和（b）一种石墨烯纳米片材分散其中的液体介质，其中石墨烯纳米片材占至少0.001体积%，基于油墨的总体积计。所述油墨还可以含有粘合剂或基质材料和/或表面活性剂。此外，所述油墨还可以含有其他填料如碳纳米管、碳纳米纤维、金属纳米颗粒、碳黑、导电有机化合物等。所述石墨烯片材的平均厚度优选不超过10nm，并且优选不超过1nm。可以印刷所述油墨以制备导电或传热组件。一个实施例提及了一种油墨，其含有5%的碳纳米管和1%的石墨烯纳米片材。

本发明的一个目的是进一步改进导电油墨，所述导电油墨不含现有技术已知的金属颗粒。特别地，由此获得的薄膜的导电性应当提高。

该目的通过一种含有碳纳米管和石墨烯片材的分散体而实现，其中碳纳米管与石墨烯片材的质量比范围为≥5:95至≤75:25。

已经出人意料地发现用作油墨的本发明分散体的干燥薄膜呈现对于导电性的协同效果。本发明的比导电率（specific conductivity）比仅使用碳纳米管或石墨烯片材所形成的薄膜的情况高数倍。

不囿于理论，认为碳纳米管大体上以略弯曲的形式存在，并且倾向于形成网络而非形成紧密堆积体。尽管石墨烯由于其片状结构被认为倾向于形成有序排列，但是各个片材之间几乎没有接触。本发明的碳纳米管与石墨烯之间的比例弥补了这些缺陷，并导致电导率增强。如下文更详述描述的，当碳纳米管与石墨烯之间具有特定重量比时，本发明分散体的干燥薄膜会获得最大的比电导率。