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碳材料主要包括一维的碳纳米管 （Carbon Nanotubes， CNT）和二维的石墨烯 （Graphene）。这两种碳的同素异形体化学键相似而维度不同，结构的差异使其具有截然不同的性能。一维的碳纳米管和二维的石墨烯，结构十分相似，具有优良的热传导性能和高比表面积、力学强度和化学稳定性。碳纳米管主要通过管壁进行载流子传输，因此管壁之间的合理搭接是提升碳纳米管墨水导电性能的关键。碳纳米管在印刷半导体器件时具有一定的应用价值，所制备的墨水一般同时包含金属型和半导体型的碳纳米管。石墨烯是一种可以很好地满足导电墨水性能要求的具有巨大研究及应用潜力的材料。归因于其优异的物理性能和化学性能，石墨烯逐渐成为许多领域的研究热点。为了制备出高性能的碳材料墨水与印刷方式结合进行光电子功能器件的制造，在制备过程中针对碳材料墨水的分散性能研究就显得格外重要了。本文将针对碳材料制备印刷墨水过程中分散性能方面的研究开展分析，因此本工作内容将对光电功能材料印刷领域的研究及应用产生一定的价值。
石墨烯
自2004年被发现以来，石墨烯逐渐成为研究热点，归因于其优异的基本物理化学性能。单层石墨烯具有高可见光透过率、力学性能优异的特点，特别适用于印刷电子器件。石墨烯可通过沼气等可再生碳源制备，是一种可再生循环材料，对可持续发展具有重要意义。基于以上因素，石墨烯导电墨水在印刷电子领域中具有巨大的应用潜力。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。由于石墨烯的光学、电学、力学特性十分优秀；在材料学、微纳加工、能源和生物医学等方面都受到重视，因此石墨烯被认为是一种能够改革未来的新型材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功地从石墨中分离出石墨烯，因此他们均获得了2010年诺贝尔物理学奖。
印刷工艺中的应用研究已经较为完善，具有良好的印刷适性。目前，在将石墨烯制备成喷墨导电墨水的过程中，主要存在以下问题：浓度低、易团聚、喷墨印刷适性不良，主要是因为石墨烯作为一种单原子厚度的二维材料，具有非常高的比表面积，层片间存在的范德华力使层片在较低浓度时也容易发生团聚和沉淀。因此，制备高浓度且不易团聚的石墨烯导电墨水是本领域中最核心的问题。
氧化石墨烯
氧化石墨烯（graphene oxide）是石墨烯的氧化产物，其色呈棕黄色。经过氧化后，氧化石墨仍然保持着石墨的结构，但是期内的石墨烯单片上都引进了许多含氧官能团。因其使石墨烯表面的含氧官能团增多而使它较石墨烯更加活泼。由于氧化石墨烯在水里具有优越的分散性，因此氧化石墨烯常被视为亲水性的物质，但是通过一些研究表明，氧化石墨烯除了具有亲水性外还具有亲油性，即两亲性。
由于氧化后的石墨烯，期内的共轭结构被破坏，导致氧化石墨烯的导电性下降，具有一定的绝缘特性。但是经过还原后，仍然能够恢复一些导电性，尽管不如氧化前的石墨烯导电性强，却能够换来其在功能化上的提升。
碳纳米管
碳纳米管（Carbon Nanotubes）是一种管状的碳分子，每个碳原子都采用SP2杂化，相互之间以C-C键结合，形成一种六边形蜂窝状的结构。碳纳米管的半径非常小，只有纳米级，但是在轴向能够达到数十到数百微米，长径比可以达到1000甚至以上，易于彼此搭接形成导电通路，电导率更是能够达到非常可观的数值，非常适合用作导电填料。根据管子的层数不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两类。碳纳米管的导电性能与其结构有着密切的关系；其碳原子上未参与杂化的电子形成离域π键，由于共轭效应使得碳纳米管具有一些特殊的电学性质，很适合用作导电墨水的导电填料。由于碳纳米管在溶剂中分散浓度很低，因此目前多用于喷墨印刷线路。而将碳纳米管作为导电墨水的填料，其最主要的难题是如何将碳纳米管均匀分散。
由于碳纳米管的表面惰性和不溶解性使其难以分散在溶剂和树脂体系中。因此可以采用对碳纳米管进行表面化学改性的方法，使碳纳米管表面生成大量的活性基团，再利用这些活性基团与有机分子或聚合物单体反应，从而在碳纳米管表面接枝有机分子链，然后就能够将接枝后的碳纳米管分散在溶剂和树脂体系中。
石墨粉
石墨粉质软，呈黑灰色，有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5，比重为1.9～2.3。在隔绝氧气的条件下，其熔点能够达到3000℃以上，是最耐温的矿物之一。常温下石墨粉的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀堿和有机溶剂；材料具有耐高温导电性能，可以用作耐火材料、导电材料以及耐磨润滑材料。
石墨粉是化学反应很灵敏的物质，在不同的环境里面它的电阻率会随之改变，也就是它的电阻值会随着环境而产生变化。但有一点不会变的是石墨粉是一种很好的非金属导电物质，只要在绝缘的物体里面保证石墨粉不间断，即使像一条细线那样也会通电，但是，电阻值是多少，这个数值却没无法得到一个准确的数值，因为石墨粉的粗细不一样，用在不同的材料和环境中石墨粉电阻值也会不一样。
影响碳材料墨水分散性能的因素
分散性是墨水的重要性能之一，它对墨水的黏度、附着力以及墨水喷墨性能都有着一定的影响。分散体系一般被分为分散相和分散介质，其中分散相指的是被分散的物质，而分散介质指分散物分散的溶剂。对喷墨墨水来说，其填料充当分散相，连结料充当其分散介质。 填料的分散分为3个过程：分散、润湿和稳定。①填料的分散：由于填料颗粒之间存在着范德华力，这种范德华力会使填料颗粒之间相互聚集，然后形成团聚体，因此这个过程需要一定的外力将其分散开，避免其聚集。②填料的润湿：对于喷墨墨水来说，填料颗粒表现为团聚体，如果把水作为溶剂，那么水需要溶入填料颗粒之间的间隙。但是水的表面张力很大，难以实现填料颗粒的润湿，所以需要加入适当分散剂以降低分散体系的表面张力从而达到润湿的效果。③填料的稳定：分散过后的填料，由于颗粒之间仍然有团聚的倾向，因此需要将分散的填料颗粒稳定并保护起来。
在碳材料墨水的组成成分中除了碳材料外还含有填料、树脂、溶剂、水以及多种助剂，因此影响分散性能的因素较为复杂，概括来说，对分散性能有较大影响的因素有填料的粒径及粒径分布、墨水的黏度、pH值以及碳材料的分散。
1.填料的粒径及粒径分布
填料粒径较小而且集中的分布是获得高分散墨水的必要前提，也是墨水具备良好的光学及流变性能的条件。同时，分散优良的墨水其流动性能更为稳定、流平性好，但是其触变性和黏度会相应降低。
2.墨水的黏度
许多研究表明墨水黏度与分散稳定性的关系最为密切，因此，适度增加墨水的黏度，以及控制填料粒子布朗運动及其自然重力沉降、缩小填料粒子与墨水连结料之间的比重差等措施都是提升墨水分散稳定性的主要途径。尽管较高的黏度对于墨水的分散稳定性意义重大，但过高的黏度会影响墨水的传递性能，且容易导致墨水不均匀、堵塞喷头等印刷故障，因此墨水的黏度不宜过高。
3. pH值
pH值的大小也会对墨水的分散性产生较大影响，这主要是因为pH值与填料在水中的Zeta电位具有直接关系。填料分散到连结料中，颗粒表面会附带上电荷，同时会吸引四周的相反电荷。Zeta电位是一种对颗粒之间相互排斥或吸引力强度的度量。Zeta电位的绝对值越大，粒子间的静电斥力越大，粒子越倾向于分散；相反，其绝对值越小，粒子间的范德华引力作用则越大，粒子更倾向于聚集。Zeta电位的大小能够直接影响到墨水的分散性能，因此在一定范围内可以通过调节墨水的pH值适当提升墨水的分散性。但是，pH值不仅与Zeta电位相关，还会直接影响到墨水黏度的稳定性，因此需要在不影响或者少影响黏度的前提下进行调节。
碳材料的分散问题及解决方法
由于碳材料在基体中容易发生大规模不可逆的团聚，而这种团聚会严重影响碳材料在基体中优越性能的发挥，因此如何使碳材料在基体中均匀分散，便成为了一个难题。经过各地科研人士的不断创新以及尝试，发明了许多不同方法来使碳材料能够得到良好的分散，目前在基体中的均匀分散方法主要包括物理分散以及化学分散两大类，这里简单介绍其中的原位聚合法、碳材料的功能化、添加分散剂和电荷吸引方法。
1.原位聚合法
聚合法就是先将纳米粒子在单体中均匀分散，然后再用引发剂引发聚合，使纳米粒子或分子均匀地分散在聚合物基体上并且形成原位分子聚合材料。原位多相聚合既保持了粒子的纳米特性，又实现了填充粒子的均匀分散，可以形成带有弹性包裹层的核—壳结构的纳米形例子。因为外层是有机聚合物，所以它可以提高材料与有机相的亲和力。如图6所示，利用原位聚合法能让碳材料均匀分散在介质中，且碳材料浓度越高分散越均匀。但是原位聚合法存在着一些局限性，无机纳米与所选用的原料必须有较好的相容性，为找到这种合适的溶剂来同时溶解原料和无机材料，必然增加研究时间和成本，还会造成环境污染。除此之外，加入碳材料会增大聚合物的黏度，使得聚合物反应变得更加复杂。
2.碳材料的功能化
功能化的原理就是采用共价和非共价的方法对碳材料表面的缺陷或基团进行修饰，赋予碳材料某系新的性质。功能化是提高碳材料溶解性、分散性以及使其更加容易加工和成型的重要方法。功能化后的碳材料能够实现在基体中均匀分散，有助于碳材料作为增强体优良性能的发挥。但是共价键功能化的碳材料仍然存在一些不足：对碳材料进行共价键修饰的同时会破坏碳材料的本征结构，改变其本身特有的化学和物理性质。
3.添加分散剂
以聚乙烯醇（PVA）为分散剂能使碳材料在溶液中更好地分散，在所制得的复合薄膜中PVA长链包裹着碳材料片层，两相结合得非常紧密，使得碳材料均匀分散在溶液中。但是这种方法的操控性比较困难，需要进一步精确地研究成膜的机理，从而来提高这种材料得应用范围和降低成本等。
4.电荷吸引
采用电荷吸引的方法是利用Hummers法制备出含有大量含氧基团得氧化碳材料，使得氧化碳材料带有很强的负电荷。使铝粉表面带有正电荷后，利用正负电荷吸引得方式来解决碳材料分散性问题。但是这种方法使得复合材料延伸率相比于纯铝明显地下降。电荷吸引引起其他功能的下降也是一个令人无法忽视的问题。
作者单位：齐鲁工业大学
石墨烯
自2004年被发现以来，石墨烯逐渐成为研究热点，归因于其优异的基本物理化学性能。单层石墨烯具有高可见光透过率、力学性能优异的特点，特别适用于印刷电子器件。石墨烯可通过沼气等可再生碳源制备，是一种可再生循环材料，对可持续发展具有重要意义。基于以上因素，石墨烯导电墨水在印刷电子领域中具有巨大的应用潜力。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。由于石墨烯的光学、电学、力学特性十分优秀；在材料学、微纳加工、能源和生物医学等方面都受到重视，因此石墨烯被认为是一种能够改革未来的新型材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功地从石墨中分离出石墨烯，因此他们均获得了2010年诺贝尔物理学奖。
印刷工艺中的应用研究已经较为完善，具有良好的印刷适性。目前，在将石墨烯制备成喷墨导电墨水的过程中，主要存在以下问题：浓度低、易团聚、喷墨印刷适性不良，主要是因为石墨烯作为一种单原子厚度的二维材料，具有非常高的比表面积，层片间存在的范德华力使层片在较低浓度时也容易发生团聚和沉淀。因此，制备高浓度且不易团聚的石墨烯导电墨水是本领域中最核心的问题。
氧化石墨烯
氧化石墨烯（graphene oxide）是石墨烯的氧化产物，其色呈棕黄色。经过氧化后，氧化石墨仍然保持着石墨的结构，但是期内的石墨烯单片上都引进了许多含氧官能团。因其使石墨烯表面的含氧官能团增多而使它较石墨烯更加活泼。由于氧化石墨烯在水里具有优越的分散性，因此氧化石墨烯常被视为亲水性的物质，但是通过一些研究表明，氧化石墨烯除了具有亲水性外还具有亲油性，即两亲性。
由于氧化后的石墨烯，期内的共轭结构被破坏，导致氧化石墨烯的导电性下降，具有一定的绝缘特性。但是经过还原后，仍然能够恢复一些导电性，尽管不如氧化前的石墨烯导电性强，却能够换来其在功能化上的提升。
碳纳米管
碳纳米管（Carbon Nanotubes）是一种管状的碳分子，每个碳原子都采用SP2杂化，相互之间以C-C键结合，形成一种六边形蜂窝状的结构。碳纳米管的半径非常小，只有纳米级，但是在轴向能够达到数十到数百微米，长径比可以达到1000甚至以上，易于彼此搭接形成导电通路，电导率更是能够达到非常可观的数值，非常适合用作导电填料。根据管子的层数不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两类。碳纳米管的导电性能与其结构有着密切的关系；其碳原子上未参与杂化的电子形成离域π键，由于共轭效应使得碳纳米管具有一些特殊的电学性质，很适合用作导电墨水的导电填料。由于碳纳米管在溶剂中分散浓度很低，因此目前多用于喷墨印刷线路。而将碳纳米管作为导电墨水的填料，其最主要的难题是如何将碳纳米管均匀分散。
由于碳纳米管的表面惰性和不溶解性使其难以分散在溶剂和树脂体系中。因此可以采用对碳纳米管进行表面化学改性的方法，使碳纳米管表面生成大量的活性基团，再利用这些活性基团与有机分子或聚合物单体反应，从而在碳纳米管表面接枝有机分子链，然后就能够将接枝后的碳纳米管分散在溶剂和树脂体系中。
石墨粉
石墨粉质软，呈黑灰色，有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5，比重为1.9～2.3。在隔绝氧气的条件下，其熔点能够达到3000℃以上，是最耐温的矿物之一。常温下石墨粉的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀堿和有机溶剂；材料具有耐高温导电性能，可以用作耐火材料、导电材料以及耐磨润滑材料。
石墨粉是化学反应很灵敏的物质，在不同的环境里面它的电阻率会随之改变，也就是它的电阻值会随着环境而产生变化。但有一点不会变的是石墨粉是一种很好的非金属导电物质，只要在绝缘的物体里面保证石墨粉不间断，即使像一条细线那样也会通电，但是，电阻值是多少，这个数值却没无法得到一个准确的数值，因为石墨粉的粗细不一样，用在不同的材料和环境中石墨粉电阻值也会不一样。
影响碳材料墨水分散性能的因素
分散性是墨水的重要性能之一，它对墨水的黏度、附着力以及墨水喷墨性能都有着一定的影响。分散体系一般被分为分散相和分散介质，其中分散相指的是被分散的物质，而分散介质指分散物分散的溶剂。对喷墨墨水来说，其填料充当分散相，连结料充当其分散介质。 填料的分散分为3个过程：分散、润湿和稳定。①填料的分散：由于填料颗粒之间存在着范德华力，这种范德华力会使填料颗粒之间相互聚集，然后形成团聚体，因此这个过程需要一定的外力将其分散开，避免其聚集。②填料的润湿：对于喷墨墨水来说，填料颗粒表现为团聚体，如果把水作为溶剂，那么水需要溶入填料颗粒之间的间隙。但是水的表面张力很大，难以实现填料颗粒的润湿，所以需要加入适当分散剂以降低分散体系的表面张力从而达到润湿的效果。③填料的稳定：分散过后的填料，由于颗粒之间仍然有团聚的倾向，因此需要将分散的填料颗粒稳定并保护起来。
在碳材料墨水的组成成分中除了碳材料外还含有填料、树脂、溶剂、水以及多种助剂，因此影响分散性能的因素较为复杂，概括来说，对分散性能有较大影响的因素有填料的粒径及粒径分布、墨水的黏度、pH值以及碳材料的分散。
1.填料的粒径及粒径分布
填料粒径较小而且集中的分布是获得高分散墨水的必要前提，也是墨水具备良好的光学及流变性能的条件。同时，分散优良的墨水其流动性能更为稳定、流平性好，但是其触变性和黏度会相应降低。
2.墨水的黏度
许多研究表明墨水黏度与分散稳定性的关系最为密切，因此，适度增加墨水的黏度，以及控制填料粒子布朗運动及其自然重力沉降、缩小填料粒子与墨水连结料之间的比重差等措施都是提升墨水分散稳定性的主要途径。尽管较高的黏度对于墨水的分散稳定性意义重大，但过高的黏度会影响墨水的传递性能，且容易导致墨水不均匀、堵塞喷头等印刷故障，因此墨水的黏度不宜过高。
3. pH值
pH值的大小也会对墨水的分散性产生较大影响，这主要是因为pH值与填料在水中的Zeta电位具有直接关系。填料分散到连结料中，颗粒表面会附带上电荷，同时会吸引四周的相反电荷。Zeta电位是一种对颗粒之间相互排斥或吸引力强度的度量。Zeta电位的绝对值越大，粒子间的静电斥力越大，粒子越倾向于分散；相反，其绝对值越小，粒子间的范德华引力作用则越大，粒子更倾向于聚集。Zeta电位的大小能够直接影响到墨水的分散性能，因此在一定范围内可以通过调节墨水的pH值适当提升墨水的分散性。但是，pH值不仅与Zeta电位相关，还会直接影响到墨水黏度的稳定性，因此需要在不影响或者少影响黏度的前提下进行调节。
碳材料的分散问题及解决方法
由于碳材料在基体中容易发生大规模不可逆的团聚，而这种团聚会严重影响碳材料在基体中优越性能的发挥，因此如何使碳材料在基体中均匀分散，便成为了一个难题。经过各地科研人士的不断创新以及尝试，发明了许多不同方法来使碳材料能够得到良好的分散，目前在基体中的均匀分散方法主要包括物理分散以及化学分散两大类，这里简单介绍其中的原位聚合法、碳材料的功能化、添加分散剂和电荷吸引方法。
1.原位聚合法
聚合法就是先将纳米粒子在单体中均匀分散，然后再用引发剂引发聚合，使纳米粒子或分子均匀地分散在聚合物基体上并且形成原位分子聚合材料。原位多相聚合既保持了粒子的纳米特性，又实现了填充粒子的均匀分散，可以形成带有弹性包裹层的核—壳结构的纳米形例子。因为外层是有机聚合物，所以它可以提高材料与有机相的亲和力。如图6所示，利用原位聚合法能让碳材料均匀分散在介质中，且碳材料浓度越高分散越均匀。但是原位聚合法存在着一些局限性，无机纳米与所选用的原料必须有较好的相容性，为找到这种合适的溶剂来同时溶解原料和无机材料，必然增加研究时间和成本，还会造成环境污染。除此之外，加入碳材料会增大聚合物的黏度，使得聚合物反应变得更加复杂。
2.碳材料的功能化
功能化的原理就是采用共价和非共价的方法对碳材料表面的缺陷或基团进行修饰，赋予碳材料某系新的性质。功能化是提高碳材料溶解性、分散性以及使其更加容易加工和成型的重要方法。功能化后的碳材料能够实现在基体中均匀分散，有助于碳材料作为增强体优良性能的发挥。但是共价键功能化的碳材料仍然存在一些不足：对碳材料进行共价键修饰的同时会破坏碳材料的本征结构，改变其本身特有的化学和物理性质。
3.添加分散剂
以聚乙烯醇（PVA）为分散剂能使碳材料在溶液中更好地分散，在所制得的复合薄膜中PVA长链包裹着碳材料片层，两相结合得非常紧密，使得碳材料均匀分散在溶液中。但是这种方法的操控性比较困难，需要进一步精确地研究成膜的机理，从而来提高这种材料得应用范围和降低成本等。
4.电荷吸引
采用电荷吸引的方法是利用Hummers法制备出含有大量含氧基团得氧化碳材料，使得氧化碳材料带有很强的负电荷。使铝粉表面带有正电荷后，利用正负电荷吸引得方式来解决碳材料分散性问题。但是这种方法使得复合材料延伸率相比于纯铝明显地下降。电荷吸引引起其他功能的下降也是一个令人无法忽视的问题。
作者单位：齐鲁工业大学