用于打印高性能可穿戴传感器的可持续导电油墨

《RSC Sustainability》：Sustainable conductive ink for printing high performance wearable sensors

环保水溶性导电墨水印刷柔性湿度/温度传感器及其呼吸监测应用

　　
本文聚焦于开发一种环保型水溶性导电聚合物印墨（pPDS），并探讨其在柔性基材上的印刷性能及温湿度传感应用，为可穿戴健康监测设备提供创新解决方案。研究突破传统电子印刷对有毒溶剂的依赖，通过自掺杂技术实现墨水在常温下的稳定导电性，同时兼容多种环保基材，包括织物、PET塑料和纸张，显著降低生产过程中的环境负担。

### 核心创新与工艺突破
1. **环保墨水体系构建**
以水为溶剂成功制备自掺杂导电聚合物印墨，通过调控聚乙烯醇（PEO）浓度优化粘度与表面润湿性。实验表明，添加0.5 wt% Dynol 960作为交联剂可增强墨水稳定性，同时采用硫酸调节至pH<4时，pPDS的导电率达到最优（10?3 S/cm）。相较于传统PEDOT:PSS体系，该配方无需有机溶剂，解决了生产环节的挥发性有机物（VOCs）污染问题。

2. **多工艺兼容的印刷技术验证**
通过柔版印刷和丝网印刷两种工业级工艺，在PET薄膜、无纺布及再生纸等三种典型基材上实现高分辨率图案复制。其中，柔版印刷在PET基材上可达到0.5 μm超薄均匀涂层，而丝网印刷在织物上的分辨率达150 μm。特别值得注意的是，该墨水在吸水性纸张上仍能保持8 μm印刷厚度，其抗渗透特性源于PEO的氢键网络形成的致密保护层。

3. **多模态传感性能突破**
- **湿度响应**：在20-80% RH范围内，电阻相对变化率达-18.5%至+35.2%，响应时间（15秒）和恢复时间（26秒）优于多数商业传感器。通过表面接触角测试（30-40°）证实墨水与基材的润湿性优化，使水分子能快速渗透并调节载流子迁移率。
- **温度传感**：-2.2% °C?1的灵敏度指标接近金属氧化物传感器水平，且受湿度干扰极小。实验发现，低温高湿环境下，水分子在聚合物链间形成导电通道，导致电阻下降更显著；高温干燥时，聚合物链段运动增强载流子散射，形成负温度系数特性。

### 工业应用与可持续发展
研究通过三阶段验证技术可行性：
1. **基材普适性测试**：在PET（工业主流基材）、再生纸（可降解基材）和聚酯织物（可穿戴载体）上均实现导电图案稳定印刷，导电性分别达到1.1×10?2 S/cm、8.7×10?? S/cm和3.2×10?3 S/cm，满足不同场景需求。
2. **多层印刷工艺优化**：采用丝网印刷实现双图层叠，在PET基材上经两次印刷可使电阻降低10倍（从850 kΩ·cm2?1降至85 kΩ·cm2?1），同时保持设计分辨率＞75 μm。
3. **临床级监测验证**：将传感器集成于衣物，成功捕捉到呼吸频率（0.1-0.5 Hz）对应的湿度波动。实验数据显示，深呼吸时传感器电阻变化量可达原始值的23%，且信号幅值与呼吸深度呈正相关（R2=0.92）。

### 环境效益与产业价值
该技术体系显著降低电子制造的环境影响：
- **资源消耗**：水基配方使溶剂消耗量减少98%，且无需复杂后处理（如 PEDOT:PSS 常需等离子体处理）。
- **能源效率**：印刷速度达20 m/min（柔版）和5 m/min（丝网），较传统喷墨工艺提升3倍以上。
- **循环经济适配**：在再生纸上印刷后，通过热解处理可实现墨水与基材的完全分离，回收率＞85%。同时，织物基材可随穿着者生命周期完成降解。

研究特别强调其在公共卫生领域的应用潜力：通过持续监测呼吸湿度模式，可早期预警肺功能异常（如哮喘急性发作）、血液循环障碍（如体位性低血压）及代谢性疾病（如糖尿病酮症酸中毒）。测试数据显示，连续监测14天后传感器性能保持率＞99.5%，经500次湿度循环后仍能实现±2%RH测量精度。

### 技术经济性分析
对比现有解决方案，该体系具有显著成本优势：
1. **材料成本**：pPDS单体价格较PEDOT:PSS低42%，且无需添加纳米填料（如石墨烯）即可达到同等灵敏度。
2. **制造成本**：印刷速度达20 m/min（柔版）和5 m/min（丝网），单件传感器生产成本降低至0.03美元，较传统半导体工艺降低87%。
3. **维护成本**：织物基材传感器在洗涤50次后仍保持初始电阻的98%±2%，满足可穿戴设备长期使用需求。

### 未来发展方向
研究团队提出三项进阶路线：
1. **多参数集成**：在单层结构中嵌入光催化层（如TiO?纳米管），实现湿度-光照-温度协同传感。
2. **柔性增强**：通过添加形状记忆聚合物（如PMMA纳米颗粒），开发可拉伸至300%应变仍保持导电性的第四代传感器。
3. **生物兼容性**：将pPDS与抗菌蛋白（如溶菌酶-壳聚糖复合物）结合，使传感器适用于植入式医疗设备。

该研究不仅为电子制造提供零污染解决方案，更通过构建"传感器-服装-云端"一体化平台，推动健康监测从实验室走向大众市场。其技术路径已纳入联合国SDGs 9（工业创新）和13（气候行动）协同发展框架，为全球碳中和目标下的电子工业转型提供范式参考。