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单壁碳纳米管(SWCNT)透明导电膜作为ITO的潜在替代者,具有广阔应用前景,是SWCNT应用研究的热点之一。但目前,SWCNT透明导电膜的透明导电性还需要进一步提高。基于此,本课题通过浓硫酸掺杂SWCNT、分散剂的筛选及与导电高分子聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)复合等方式来提高SWCNT透明导电膜的透明导电性,并用适合大面积成膜的辊涂法制备出了均匀、透明导电性良好的SWCNT透明导电膜。最后,将浓硫酸掺杂的SWCNT分散液与水性聚氨酯分散体复合,制备出附着力和耐摩擦性良好,并且可直接应用于抗静电和电磁屏蔽中的SWCNT/PU复合导电膜(透光率80%以上,方块电阻在103~105Ω/sq之间)。
首先,以浓硫酸为掺杂剂,改变浓硫酸用量和水浴超声时间等工艺参数,得到不同掺杂状态的SWCNT。XPS、Raman、TGA等表征手段表明:已实现了浓硫酸对SWCNT的插层掺杂。75 mg SWCNT在50 ml98%浓硫酸中水浴超声6h为最佳掺杂条件。此时,掺杂SWCNT中含有5wt%左右的硫酸可使透明导电膜的方块电阻下降30%左右,此结果表明:浓硫酸掺杂提高了SWCNT透明导电膜的导电性。
随后,选择了四种不同类型的分散剂:十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、羧甲基纤维素钠(CMC)、非离子型表面活性剂(TNWDIS)及双十二烷基四甲基溴化铵(12-2-12)对掺杂SWCNT进行分散。研究了四种分散剂对掺杂SWCNT的分散性、透明导电性、成膜均匀性的影响,以及四种分散剂在透明导电膜中的可去除性。研究结果表明:CMC具有最好的分散效率、透明导电性和成膜均匀性,但只能用浓硝酸浸泡去除;TNWDIS的分散效率和透明导电性其次、成膜均匀,但只能用浓硝酸浸泡去除;12-2-12分散效率和透明导电性次之、可在无水乙醇中浸泡去除,但成膜均匀性较差;SDBS可在热水中浸泡去除,但分散效率、成膜均匀性和透明导电性最差。最后,具有最好透明导电性的SWCNT/CMC透明导电膜在80%透光率时,方块电阻可达900Ω/sq,经过浓硝酸浸泡去除分散剂后,方块电阻降低到250Ω/sq。
为了进一步提高透明导电膜的透明导电性,将掺杂后的SWCNT分散液与导电高分子PEDOT∶PSS分散液相互混合,以制备SWCNT/PEDOT复合透明导电膜。研究发现:透明导电性最好的SWCNT:CMC分散液与PEDOT∶PSS混合发生絮凝;透明导电性其次的SWCNT∶TNWDIS分散液与PEDOT∶PSS具有较好的复合稳定性。另外,当PEDOT的含量在0~40%时,和SWCNT/TNWDIS透明导电膜相比,SWCNT/PEDOT复合导电膜的导电性变化小;而当PEDOT含量在60%时,SWCNT/PEDOT复合透明导电膜方块电阻下降一个多数量级,导电性大大提高。但主要体现PEDOT∶PSS的高导电性。
最后,将SWCNT∶CMC分散液与水性聚氨酯分散体复合制备SWCNT/PU复合透明导电膜。研究结果表明:当复合导电膜中SWCNT含量为5wt%时,复合导电膜具有良好的附着力和耐摩擦性,此时复合导电膜的透光率在80%以上,方块电阻在103~105Ω/sq之间。这种导电膜可直接应用于对导电性要求较高的抗静电及电磁屏蔽中。