可持续导电油墨，用于打印高性能可穿戴传感器

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

　　水溶性导电聚合物pPDS ink通过环保水溶剂和印刷技术（柔版印刷与丝网印刷）制备，在PET、纸张及织物等柔性基材上成功打印出高性能温湿度传感器。该传感器具有15秒快速响应和26秒恢复时间，温度灵敏度达-2.2%°C?1，可直接监测人体呼吸频率并实现非侵入式健康诊断，推动可持续柔性电子制造发展。

　　本研究聚焦于一种新型导电墨水的开发，该墨水基于水作为环保溶剂，能够用于在多种柔性基底上进行印刷，从而制造高灵敏度的湿度和温度传感器。随着物联网对数据需求的持续增长，可穿戴传感器在健康监测领域的重要性日益凸显。传统的印刷技术虽然在大规模生产中具有优势，但其使用的印刷油墨通常对环境造成一定负担，特别是其导电性与传感器性能之间存在权衡。因此，本研究旨在通过改进印刷油墨的配方，减少其对环境的影响，同时保持其导电性与传感器性能。

导电聚合物因其在湿度和温度变化下的电导率波动特性，成为制造高灵敏度传感器的理想材料。然而，传统导电油墨如PEDOT:PSS在配方和性能方面存在局限，其添加剂可能影响油墨的均匀性与导电性。本研究提出了一种名为pPDS的导电聚合物墨水，该墨水具有良好的水溶性和自掺杂特性，能够在不使用有毒溶剂的情况下实现高导电性。通过将pPDS与聚乙二醇（PEO）结合，研究人员优化了墨水的粘度，使其适用于不同的印刷方法，如柔性印刷（flexography）和丝网印刷（screen printing）。这些印刷方法不仅能够实现高分辨率的图案印刷，还具备大规模生产的潜力。

在实验中，研究人员对pPDS墨水在不同基底上的表现进行了详细分析。测试的基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、纸张和织物。结果表明，pPDS墨水在织物上表现出最佳的导电性，同时在纸张和PET上也能保持良好的性能。墨水的粘度可以通过调整PEO的浓度进行调控，而pPDS的自掺杂特性使得其在配方中对添加剂的依赖性较低，从而减少了因添加剂导致的导电性下降。此外，pPDS墨水在印刷过程中能够保持稳定的导电性，其响应时间与恢复时间分别为15秒和26秒，这使得其在实时监测生理信号方面具有优势。

为了进一步验证pPDS墨水的性能，研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对印刷后的传感器进行了表征。这些测试结果表明，pPDS墨水能够均匀地覆盖在基底表面，并且其电导率与基底的特性密切相关。例如，在纸张上印刷的pPDS墨水由于吸收了水分，其电导率会有所下降，而织物由于良好的油墨保留能力，能够实现更高的电导率。此外，EDX分析还确认了pPDS在印刷后能够维持其化学特性，不会发生显著的降解。

在实际应用方面，研究人员展示了pPDS墨水在织物上的传感器性能。通过在织物上直接印刷，可以实现与人体呼吸相关的湿度和温度监测。这种传感器不仅具有高灵敏度，还能够通过其电阻变化来反映呼吸模式的变化。例如，在正常呼吸状态下，传感器能够检测到湿度的变化，并将其转化为可测量的信号。实验表明，pPDS传感器在不同呼吸方式（如通过口或鼻呼吸）下的响应特性存在差异，这种差异源于呼吸过程中空气流动的持续性与强度不同。此外，研究人员还评估了传感器在不同湿度条件下的响应速度，其性能与传统的PEDOT:PSS传感器相当，甚至在某些方面更具优势。

除了呼吸监测，pPDS墨水还被应用于其他环境传感领域。通过在纸张上印刷，可以制造出可回收的传感器，从而进一步降低其对环境的影响。同时，由于pPDS墨水能够与多种基底兼容，这种技术在医疗和工业领域的应用潜力巨大。例如，在医疗领域，pPDS传感器可以用于非侵入式的健康监测，帮助早期发现肺部疾病、心脏疾病等。而在工业领域，它可以用于监测环境中的湿度和温度变化，为智能设备和环境控制系统提供可靠的数据支持。

本研究的创新之处在于其提出的pPDS墨水配方，该配方不仅在导电性和传感器性能方面表现出色，还能够显著减少对环境的负面影响。通过使用水作为溶剂，研究人员避免了传统油墨中常见的有毒化学物质，同时通过自掺杂特性减少了添加剂对电导率的干扰。这种墨水的可扩展性和兼容性使其能够应用于多种印刷技术，包括柔性印刷和丝网印刷，从而满足不同应用场景的需求。此外，其设计的简洁性也为未来开发更加智能和便携的可穿戴设备提供了可能。

在可持续发展方面，本研究提出的pPDS墨水及其印刷技术符合联合国可持续发展目标（SDG），特别是SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 9（工业创新与基础设施）以及SDG 12（负责任的消费和生产）。通过减少对环境有害的材料使用，提高可回收性，并利用简单的印刷方法降低制造成本，这项研究为未来构建环保、高效的可穿戴传感器技术奠定了基础。此外，由于其可直接应用于织物，pPDS传感器可以成为一种无缝集成到日常衣物中的健康监测工具，从而实现无创、连续的生理信号采集。

在技术实现上，pPDS墨水的配方和印刷工艺体现了对材料科学与工程学的深入理解。通过调整PEO的浓度，研究人员能够优化墨水的粘度，使其适用于不同的印刷方法。同时，pPDS的自掺杂特性使其在印刷过程中保持稳定的电导率，而无需额外的掺杂剂。这种特性不仅提高了传感器的性能，还简化了制造流程，降低了生产成本。此外，通过控制印刷条件，如干燥时间、印刷速度和图案设计，研究人员能够确保传感器在不同基底上的均匀性和稳定性。

未来的研究方向可能包括进一步优化pPDS墨水的性能，以适应更广泛的环境条件和生理监测需求。同时，探索其在其他生物传感器中的应用，如通过整合特定的生物标志物检测能力，实现更精准的疾病诊断。此外，研究如何提高传感器的耐久性和长期稳定性，使其能够适应日常使用中的磨损和环境变化。这些努力将有助于推动可穿戴电子技术向更加环保和实用的方向发展。

总的来说，本研究通过开发一种基于水的pPDS导电墨水，成功实现了在多种柔性基底上的高精度湿度和温度传感。其环保性、可扩展性和设计简洁性为未来可穿戴传感器技术的发展提供了新的思路和方向。通过将这种墨水应用于实际场景，如健康监测和环境传感，研究人员不仅验证了其技术可行性，还为可持续电子制造开辟了新的可能性。这一成果标志着可穿戴传感器技术迈出了重要的一步，为实现更加智能、环保和高效的健康监测设备奠定了坚实的基础。