CN103923331A - 一种提高pedot/pss导电薄膜均匀涂布的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导电高分子功能材料领域，公开了一种提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布的方法。该方法采用两步法旋涂，首先将表面活性剂（CapstoneFS-30，DuPont）旋涂到洗净的基片上，再立即旋涂掺杂了乙二醇（EG）的PEDOT/PSS（CleviosPH1000，Heraeus）分散液，再进行热处理得到导电薄膜。此方法与传统的将表面活性剂与分散液直接掺杂再旋涂相比，能在保证薄层透光率及导电性的同时提高薄膜的均匀性，进而实现大面积涂层。

Description

一种提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布的方法
技术领域
本发明属于导电高分子功能材料领域，具体涉及一种提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布的方法。
背景技术
聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）在德国的Bayer A G实验室被首次合成出来，是噻吩类导电聚合物的典型代表，通过在噻吩环的3位和4位引入乙撑二氧基得到的，其导电的掺杂状态非常稳定。并且PEDOT的共轭π键的吸收峰在可见光吸收范围未出现，其吸收波波长大约在300 nm左右，具有透光的性质。因此，PEDOT和大多导电高分子材料一样拥有优异的电磁学性能、机械加工性能，稳定的电化学性能，良好的透明度，较高的光电效率和生物兼容性等特点。这就赋予了PEDOT成为蛋白质等生物大分子固载、制备生物传感器、电致色变器、电化学电容器、太阳能电池、应变计以及触摸屏幕等的理想材料。
通常π共轭结构物质大都溶解性很差，而PEDOT却能够溶于聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）形成 PEDOT/PSS 胶体分散液。经过掺杂的PEDOT可以很好地分散在水溶液中，关于PEDOT/PSS的共存形态特征还未有定论，较为认可的一种模型为：导电性良好的PEDOT粒子附着在不导电的PSS主链上，二者在水溶液中的分布呈杂乱无序状，形成一种稳定的PEDOT/PSS悬浮液，见附图1。该悬浮液在塑料或玻璃基片上可以形成一种淡蓝色的PEDOT/PSS透明导电膜，该薄膜不仅易于加工，同时还具有导电率高、透光性好、耐热、绿色环保等优点。
目前研究者们一般通过掺杂有机试剂和表面活性剂来提高PEDOT/PSS薄膜导电性和均匀性。传统的表面活性剂使用方法是直接将其加到PEDOT分散液内，该方法的优点是加工工艺简单，节省时间成本。但是旋涂后的薄膜会出现不均匀、涂层面积小等缺点。针对这一点，很多研究者在旋涂之前用特殊工具先将分散液吹散铺开，再进行旋涂。这一操作工艺对于大面积旋涂有一定的作用，但是却影响薄层的导电性能与均匀性，并且使加工工艺变得复杂化。同时，表面活性剂作为绝缘物质存在于导电膜内，很可能会影响导电膜的一些物理性质，例如热稳定性。
随着PEDOT/PSS应用领域的日益扩大，为了提高膜的均匀性和大面积制备的可能性，开发更优越的表面活性剂使用方法势在必行。
发明内容
针对PEDOT/PSS成膜工艺现状，本发明目的在于提供一种PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布方法，使其均匀性提高和大面积制备得以实现。
为实现本发明目的，本发明所述的PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布方法通过以下步骤实现：
（1）将PEDOT/PSS分散液与乙二醇混合均匀，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗后烘干；
（3）在已洗净的基片PET上旋涂一层表面活性剂；
（4）立即在表面活性剂层上旋涂步骤（1）制得的分散液；
（5）热处理后形成薄膜，自然冷却至室温。
优选地，在上述的提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀性的方法中，步骤（1）中所述的乙二醇的掺杂比例为PEDOT/PSS分散液重量的1%-10%。
优选地，在上述的提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀性的方法中，步骤（3）中所述的表面活性剂的旋涂转速为1000rpm-5000rpm。
优选地，在上述的提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀性的方法中，步骤（4）中所述的PEDOT/PSS分散液的旋涂转速为1000rpm-5000rpm。
优选地，在上述的提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀性的方法中，步骤（5）中所述的热处理条件是先于50℃条件下加热，再在120℃条件下加热。
表面活性剂优选：Capstone FS-30，DuPont。                      
　　　在制备PEDOT/PSS导电薄膜的过程中，表面活性剂的使用能够增强分散液与基片之间的附着力、提高分散液在基片上的铺展能力，是制备导电薄膜关键的一步。本发明创新点在于：将表面活性剂单独旋涂于基材上，并探讨了表面活性剂的旋涂转速对膜的方块电阻和透光率影响，见附图２；另外，对乙二醇的掺杂比例进行了探讨，掺杂乙二醇量的不同对PEDOT膜的方块电阻值的影响见表１；探讨了PEDOT/PSS分散液的旋涂转速对膜的方块电阻和透光率影响，见表２；还探讨了PEDOT/PSS分散液的旋涂转速对PEDOT/PSS导电薄膜均匀性影响，见附图３－４。
本发明优点在于：本发明采用两步法旋涂制备PEDOT/PSS导电薄膜，不仅能得到厚度均匀的PEDOT/PSS导电薄膜，而且膜的厚度还会随着转速的增加线性增加。此方法与传统的将表面活性剂与分散液直接掺杂再旋涂相比，能在保证薄层透光率及导电性的同时提高薄膜的均匀性，进而使PEDOT/PSS导电薄膜大面积涂层制备得以实现。
附图说明
图1为PEDOT、PSS分子式及PEDOT/PSS 胶体颗粒结构示意图。
图２为本发明两步法旋涂中不同转速旋涂表面活性剂时得到的膜的方块电阻和透光率(PEDOT/PSS分散液的旋涂转速固定为3000 rpm)。
图３为本发明两步法旋涂时不同转速旋涂PEDOT/PSS分散液得到膜的厚度 (首层表面活性
剂转速固定为3000 rpm)。
图４为本发明两步法旋涂时不同转速旋涂PEDOT/PSS分散液得到膜的粗糙度(首层表面活性
剂转速固定为3000 rpm)。
图５为本发明实施例1-4得到的PEDOT/PSS膜原子力显微镜图。
图６为不同转速条件下本发明两步法与一步法制备薄膜的标准偏差。
 具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步阐述本发明。
实施例1
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液1.9875g，加入EG 0.0430g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照1000rpm的转速，将表明活性剂Capstone FS-30旋涂到PET基片上。再按照3000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
实施例2
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液2.1065g，加入EG 0.0666g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照2000rpm的转速，将表明活性剂Capstone FS-30旋涂到PET基片上。再按照3000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
实施例3
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液2.7733g，加入EG 0.1212g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照3000rpm的转速，将表明活性剂DuPont旋涂到PET基片上。再按照2000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
实施例4
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液2.2868g，加入EG 0.1188g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照4000rpm的转速，将表明活性剂DuPont旋涂到PET基片上。再按照1000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
 
实施例5
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液2.5232g，加入EG 0.1612g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照4000rpm的转速，将表明活性剂DuPont旋涂到PET基片上。再按照2000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
实施例6
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液2.5232g，加入EG 0.1612g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照4000rpm的转速，将表明活性剂Capstone FS-30旋涂到PET基片上。再按照5000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
实施例7
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液1.9825g，加入EG 0.1735g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照5000rpm的转速，将表明活性剂DuPont旋涂到PET基片上。再按照1000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
实施例８
（1）常温下，于20ml的样品瓶中，称取PEDOT/PSS分散液2.4317g，加入EG 0.2431g，搅拌24小时，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成20 mm×20 mm的方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗20 min后烘干；
（3）常温下，按照5000rpm的转速，将表明活性剂Capstone FS-30旋涂到PET基片上。再按照2000rpm的转速将步骤（1）掺杂了EG的PEDOT/PSS分散液旋涂到表面活性剂层上，然后将膜在50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
 
以上实施例所用主要设备及型号：紫外可见近红外分光光度仪（AU12320005，美国安捷伦公司）；低阻抗测试仪（MCP-T610，日本三菱化学有限公司）；原子力显微镜（SPM-9600，日本岛津仪器公司）。
 
表1掺杂不同量乙二醇的PEDOT膜的方块电阻值
                                                 
表2 两步法旋涂中不同转速旋涂PEDOT/PSS分散液对应的膜的方块电阻和透光率(首层表面活性剂的旋涂转速固定为3000 rpm)
表2中A1、A2、A3、A4、A5分别代表PEDOT/PSS分散液旋涂转速为1000 rpm、2000 rpm、3000 rpm、4000 rpm、5000 rpm制得的PEDOT/PSS导电薄膜。
由图6可以看出本发明方法稳定，制得的PEDOT/PSS导电薄膜质量稳定，有利于工业化生产应用。

Claims (3)

1.提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布的方法，其特征在于，通过如下步骤实现：
（1）将PEDOT/PSS分散液与乙二醇混合均匀，制备掺杂有乙二醇的PEDOT/PSS分散液；
（2）将基片PET裁成方块形状，先后用无水乙醇、丙酮、去离子水各超声清洗后烘干；
（3）在已洗净的基片PET上旋涂一层表面活性剂；其旋涂转速为1000rpm-5000rpm；
（4）立即在表面活性剂层上旋涂步骤（1）制得的分散液；PEDOT/PSS分散液的旋涂转速为1000rpm-5000rpm；
（5）热处理后形成薄膜，自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布的方法，其特征在于，步骤（1）中所述的乙二醇的掺杂比例为PEDOT/PSS分散液重量的1%-10%。
3.根据权利要求1或2所述的提高PEDOT/PSS导电薄膜均匀涂布的方法，其特征在于，步骤（5）中所述的热处理条件是先于50℃条件下加热15 min，再在120℃条件下加热15 min。
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