一种水性石墨烯基油墨、制备方法及其在太赫兹波材料的应用方法与流程

本发明涉及碳基电热型太赫兹波薄膜及其制备，具体为一种水性石墨烯基油墨、制备方法及其在太赫兹波材料的应用方法。

背景技术：

1、近年来，薄膜电热作为一种新型的制热方式因其节能环保、绿色安全、可嫁接性强、结构简单、维护少等特点受到广泛关注，应用范围也不断扩展。目前，薄膜电热已涉及包括供暖、干燥设备、道路融雪除冰等领域。在新型理疗、养护等健康领域也因其独特的波长发射特征获得深入研究。作为一种新型的电热模式，电热薄膜按照发热材料可分为金属与非金属基电热膜。金属基电热膜采用电阻型制热原理，一般使用导电性铜、镍、铬等金属或合金材料制成，具有抗疲劳性能优异、温度控制精确等特点，但也存在加工工艺复杂、成本较高、发射波长单一等问题。相比之下，非金属型电热薄膜采用无机导电填料制备成浆，经过涂布或印刷、固化形成内部导电结构的电热膜，因其材料的差异也将获得不同发射状态的电热膜。由此，无机型电热膜赋予了材料层面的发射特性可控性。

2、碳基油墨，作为无机型电热膜的代表性核心发热材料，能量通过原子、分子碰撞产生焦耳效应而释放。当主体过热时会因聚合物的膨胀促使导电碳基网络断裂，从而导致电阻急剧升高而出现显著的ptc效应，避免电热膜过热损坏。最新研究发现，石墨烯因其独特的物理、化学特性而被应用于碳基电热领域，并对其电热性能、发射特征等性能方面产生独特的影响。石墨烯是一种由单一碳原子以sp2杂化轨道组成的呈六角形蜂巢的平面结构，是已知世界上最薄最坚硬的纳米材料，电阻率仅有10-6ω·cm，其导热系数高达5300w/(m·k)，理论上是碳纤维材料(700w/m·k)的7.6倍。随着研究的深入，人们不仅仅局限对取暖、制热等效果的追求，更多的焦点转移到其潜在效用。例如：专利cn 107936686a提出一种水性石墨烯加热膜，采用一种具有显著远红外辐射膜替换传统的水暖制热体系，既满足取暖制热的使用效果又满足了理疗需求。同理，正如专利cn102563753b所构想的一种基于远红外电热发热芯的新型空调，专利cn107906582a提出的一种远红外电热壁炉等等。如上发现，其研究的切入点主要利用远红外对人体(生物体)的保健、保暖以及除菌效应。远红外在生物体的作用机制主要是通过激发表皮细胞接受远红外线而产生共振、共鸣等，促使细胞活化，并由此获得一种由表及里的渗透转递效果。另外，它产生的温热效应能进一步促进生物体微血管的扩张，加速血液循环的同时加速与细胞间的代谢交换，促进微循环。

3、然而，虽然远红外具有典型的辅热与保健功效，但是其发射波段主要集中在穿透性较弱的红外区域，与人体吸收波峰值(8.0μm)存在较大差异，远红外通量较少，穿透能力较弱。近年来，随着人们对光谱领域认知及其检测手段的日益提升，一种介于红外与微波之间的新型波段太赫兹波被研究人员所开发。从频率上看，该波段位于毫米波与红外之间，属于远红外波段，具有微波和红外的双重特性，可实现二者功能的互补，其低频阶段涉及微波称为毫米波，高频阶段涉及远红外波段，频率范围为0.1thz～10thz之间(波长30μm～3mm)。太赫兹波研究初期，主要应用于工业生产、医学诊断、检测等无损检测场所。近年来，基于太赫兹波能量仅为x射线的百万分之一(1/106)，因此具有低能性，不会导致生物体的电离损伤，特别适合于生命健康领域。研究也表明，生物大分子的振动、转动能级分布大都集中和位于该波段，可用于提高免疫、保健理疗等健康领域。其次，太赫兹波光子除了具有远红外理疗功效，同时也继承了微波的可穿透特性。最新的研究表明，暴露在强剂量的太赫兹波脉冲能够抑制四个丝氨酸蛋白酶抑制剂(serpi n)b基因的水平，serpi n基因水平与抗凝血、抗炎、免疫、肿瘤抑制生长和转移等方面关系显著。同时，强烈的thz脉冲会显著下调s100p基因，该基因或蛋白对肿瘤细胞的增值、转移、炎症和免疫起着关键作用，其中靶向治疗已证实由于破坏了s100p基因从而起到抑制肝癌细胞生长的作用。可见，随着研究的深入，太赫兹波在生物体的作用会被逐步发现。

4、石墨烯基电热油墨是一种新型的复合发射源，主要是利用石墨烯本身价带和导带存在狄拉克点重叠，石墨烯通过非常微弱的能量就可以激发产生电子-空穴对，在带内跃迁的作用下其吸收光谱范围极宽可以扩展至远红外和太赫兹波段。与此同时，在通过一定电流情况下和适当的激发源(比如电场激发)以及特殊的光学结构情况下，也可以诱导石墨烯产生太赫兹波的辐射，当电子被激发源激发后回落到低能态时辐射出电磁波。正如专利cn110857369a提到石墨烯基油墨制备太赫兹波辐射源，利用石墨烯本身电场效应激发太赫兹波辐射，然而石墨烯电场将随着材料空间排版方式、石墨烯改性或将其与其他材料结合方式所影响。无序的石墨烯空间分布必将影响电场分布，也将会导致太赫兹波发射特性的改变。为此，基于石墨烯本身的空间排布以及其他材料结合研究具有深远的影响和可行性。基于此，能动地开发可控制备、可调节性的石墨空间分布是调控太赫兹波辐射特性的关键。

5、因此，本发明提出一种水性石墨烯基油墨、制备方法及其在太赫兹波材料的应用方法，来弥补现有技术的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术中太赫兹波和远红外波段的局限性，本发明提出一种水性石墨烯基油墨、制备方法及其在太赫兹波材料的应用方法。该发明的核心在于利用具有有序层状堆垛结构的石墨烯基油墨，该结构不仅可以激发出连续、高功率的太赫兹波段，还可以避免石墨烯无序沉积带来的电场混乱，从而显著提高太赫兹波的发射效率和功率。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种水性石墨烯基油墨，包含以下重量份数的组分组成：石墨烯10～85份、二维负电荷陶瓷粉末3～10份、太赫兹增强颗粒1～10份；水性树脂3～20份、导电剂2～10份、水2～40份、助剂0.05～5份。水作为溶剂参与调节油墨的粘度和流动性。

3、优选的，所述石墨烯包括单层石墨烯、多层石墨烯、氧化石墨烯、插层石墨烯、碳纳米管-石墨烯复合材料中的一种或者多种复合。这些不同形态的石墨烯提供了多样化的电子特性和机械强度，适应不同的应用需求，如增强油墨的导电性和耐磨性。

4、优选的，所述水性树脂包括水性聚氨酯、水性丙烯酸树脂、水性硅树脂中的一种或者多种混合，这些树脂为油墨提供良好的成膜特性，保证油墨在基材上的附着力和耐久性。

5、优选的，所述导电剂包括炭黑、碳纳米管、碳纤维中的一种或者多种复合，炭黑、碳纳米管、碳纤维的复合使用，进一步增强了油墨的整体导电性，使得油墨在高频电磁波的应用中表现出色。

6、优选的，所述助剂包括分散剂、流平剂、增稠剂、缓蚀剂、抗沉淀剂、消泡剂和ph调节剂，帮助优化油墨的加工性能和存储稳定性；所述太赫兹增强颗粒包括铌酸锂、氧化镁、二氧化硅、钽酸锂、二氧化钛无机材料中的一种或多种复合。这些材料能有效增强油墨在太赫兹频段的辐射性能，适用于太赫兹波的发射和探测。

7、优选的，所述二维负电荷陶瓷粉末包括层状si o2、高岭土或者其经过锂、锌、锰、铝中的至少一种离子交换改性材料、mxenes或者其经过氮、氟、氧、硅离子中的至少一种掺杂的衍生物、mos2中至少一种或多种混合；粒径范围为10nm-100μm。这些材料通过其独特的电荷特性帮助改善石墨烯的分散性和稳定性，同时也影响了油墨的流变性和最终成膜的电性能。

8、优选的，一种水性石墨烯基油墨的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、将各个组分放入高速行星搅拌机中，控制真空状态操作温度在20℃～45℃，自转速度为1000rad/min～3000rad/min，公转速度：50rad/min～500rad/min，搅拌时间为20min～60min，然后公转和自转都在5rad/min～30rad/min下低速除泡搅拌得到水性石墨烯基油墨粗浆，这一步骤是形成均一油墨粗浆的关键；

10、s2、将得到的水性石墨烯基油墨粗浆转移到三辊研磨机或砂磨机研磨2～10小时，过筛50～200目，得到水性石墨烯基油墨，通过筛选来控制最终产品的质量，确保油墨在涂布或印刷时的性能一致性。

11、优选的，水性石墨烯基油墨的应用方法，应用于制备太赫兹波材料。

12、优选的，一种太赫兹波材料，由所述水性石墨烯基油墨通过涂布、印刷、烘烤成膜得到，这些膜可用作太赫兹波的发射源或探测器。

13、优选的，太赫兹波材料的应用方法，用于制备发热材料，所述太赫兹波材料能够发射远红外波和太赫兹波，且能形成有序的多层堆垛结构，增强材料的使用寿命和热效率。

14、本发明提供了一种水性石墨烯基油墨、制备方法及其在太赫兹波材料的应用方法。具备以下有益效果：

15、1、本发明通过利用二维负电荷陶瓷粉末的特有电负性及其调节能力，本发明实现了对碳基核心材料吸附力的精确控制。这一技术突破不仅优化了薄膜的结构构建，而且使得能够精确调整太赫兹波发射源的功率、频率范围及效率，大幅提升了材料在高科技应用中的性能表现。

16、2、本发明制备的薄膜不仅具有卓越的发热功能，还同时作为高效的太赫兹波发射源。这种双功能设计为材料的商业应用和技术应用提供了更广泛的可能性，如在安全扫描和高性能传感器中的应用。

17、3、本发明添加的太赫兹增强颗粒不仅激发太赫兹波，还作为一种增强填料，显著提高了油墨的稳定性、硬度、耐磨性，并有效减少电阻损失。这些改进使得本发明的油墨适用于更为苛刻的工业环境，提升了其实际应用价值和市场竞争力。

18、4、本发明通过使用水性树脂替代传统的油性溶剂，显著降低了有害voc的排放，减少了环境污染，并简化了生产过程，避免了使用高毒性化学品。这种安全无毒的替代方案不仅符合现代工业的环保标准，还因成本更低而具有较高的经济效益。

19、5、得益于二维负电荷陶瓷粉末的加入，本发明的油墨在静止状态下呈果冻状，便于长期存储和运输。需要使用时，简单的低速搅拌或震动可迅速恢复其流动性，极大地提高了使用的便捷性和实用性。