CN105957639B

CN105957639B - 一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法

Info

Publication number: CN105957639B
Application number: CN201610311539.8A
Authority: CN
Inventors: 刘举庆; 曹立君; 黄维; 刘洋; 王展
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: CN105957639A

Abstract

本发明公开了一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，属于纳米光电材料技术领域。该制备方法包括：首先将一维纳米导电材料溶液均匀地喷涂在硬质衬底上，制备导电薄膜；其次将未固化的PDMS胶体均匀地旋涂在导电薄膜表面，然后将已拉伸的固化PDMS膜放置在未固化PDMS膜表面，最后通过重压并放置在真空干燥箱中固化。本发明提供了一种操作简单、低成本、适用范围广的柔性可延展导电薄膜制备方法，本方法具有转移过程高效、大面积制备的特点，所制备的导电薄膜呈现出柔性超延展与电性能稳定的突出优点。

Description

一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法

技术领域

本发明属于纳米光电材料技术领域，涉及纳米材料、导电材料和导电薄膜技术领域，具体涉及一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法。

背景技术

一维纳米材料是指空间有两个维度处于纳米尺度范围内的材料。一维纳米材料包括纳米管、纳米棒、纳米线、量子线与纳米带等。其中，具有导电功能的一维纳米导电材料因其独特的热稳定性、机械柔性、电子传输和光学性质等，在柔性透明导电薄膜、柔性触摸屏、柔性光电器件、可穿戴电子等新兴战略领域具有广泛的应用前景。基于一维导电纳米材料高效制备柔性超延展导电薄膜具有现实意义。

目前，基于一维纳米导电材料制备柔性可延展薄膜的制备方法主要有两种。其一，通过压印技术将一维纳米材料导电薄膜直接转移至弹性PDMS衬底表面(Nano Res.,2010,3,564–573)，该方法具有柔性超延展的特点，但存在转移效率低、表面平整度高与电稳定性差的明显不足。其二，通过在一维纳米导电材料薄膜表面直接固化PDMS膜(Adv.Mater.,2012,24,5117–5122)，该方面具有转移效率高、表面平整度低、电性能稳定的突出优点，其缺点在于不能通过预拉伸技术实现柔性超延展性。

所以，急需一种能够实现转移效率高、表面平整度低、电性能稳定的超延展导电薄膜的制备方法，目前还没有相关报道。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，结合预拉伸PDMS与直接固化PDMS制备柔性可延展导电薄膜的优点，本发明采用直接固化与预拉伸PDMS相结合的方法，实现了基于一维纳米导电材料薄膜的高效制备，解决了以往薄膜的转移不能进行预拉伸、效率低、薄膜受破坏等问题。且在PDMS在一定的拉伸范围内，薄膜仍具有稳定的电学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，包括以下步骤：

1)制备柔性可拉伸PDMS衬底；

2)将一维纳米材料溶液均匀地喷涂在硬质衬底上，制备成导电薄膜；

3)将未固化的PDMS胶体均匀地旋涂在导电薄膜表面，形成混合薄膜；

4)将步骤1)中的柔性可拉伸PDMS衬底预拉伸后紧贴在混合薄膜表面；

5)在其表面给予重压，常温静置一段时间后放入真空干燥箱中加热固化；

6)固化结束后，将PDMS和硬质衬底进行剥离，得到柔性超延展导电薄膜。

进一步的技术方案，所述步骤1)的PDMS衬底由DOW CORNING SYLGARD184硅橡胶制备。

进一步的技术方案，所述步骤2)的一维纳米材料为碳纳米管和银纳米线中的一种，一维纳米材料溶液的溶剂为乙醇。

进一步的技术方案，所述步骤2)的一维纳米材料为碳纳米管，碳纳米管分散液为室温条件下超声6h-10h所得。

进一步的技术方案，所述步骤2)在硬质衬底喷涂薄膜的过程中加热台温度为80℃-100℃。

进一步的技术方案，所述步骤2)的硬质衬底为玻璃片；硬质衬底分别用去离子水、异丙醇、乙醇、去离子水各超声10min-30min,氮气吹干。

进一步的技术方案，所述步骤3)的旋涂选用匀胶机，其工作条件为：转数：布胶600-1000转，匀胶600-1000转，旋涂时间：布胶时间为10-20s，匀胶时间为10-20s。

进一步的技术方案，所述步骤4)的PDMS预拉伸后的长度为其原有长度的8％-25％。

进一步的技术方案，所述步骤5)的表面给予重压值为0.8N-1.2N，使固化的PDMS膜、未固化的PDMS胶、一维纳米材料薄膜三者充分接触；常温放置时间为10-15min；加热温度为60℃-70℃，固化时间为5h-7h。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点:

1、本发明的一维纳米材料薄膜的制备方法简单、快捷，易于大规模生产，适用范围广，且制备成本低，最终的产品以PDMS为衬底的一维纳米材料导电薄膜的完整性保持不变。

2、在一定范围内，PDMS经过多次拉伸测试后，一维纳米材料薄膜仍具有稳定的电性能。

3、相同的硬质衬底上的薄膜，按本发明的方法进行不同的预拉伸转移得到的柔性薄膜，其电阻、方阻是不同的。说明预拉伸可以提高柔性薄膜的电性能，并增强其电性能的稳定性。

4、本发明有效地克服了现有技术中转移效率低、转移不完全等缺点，本发明不仅具有制备工艺简单、转移效率高、转移完全、电性能稳定，还具有柔性超延展性能。所以基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备具有一定的产业利用价值。同时，本发明的方法具有普适性，可以实现所有基于一维纳米导电材料薄膜的柔性超延展制备，诸如碳纳米管、金属纳米线等。以上优点有助于提升一维纳米导电材料薄膜在柔性电子的应用领域。

附图说明

图1为本发明的基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的制备方法流程图；

图2为本发明实施例1的碳纳米管柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的碳纳米管导电薄膜和其电阻之间的关系对比图；

图3为本发明实施例2的银纳米线柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的银纳米线导电薄膜和其电阻之间的关系对比图；

图4为本发明实施例1的碳纳米管柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的碳纳米管导电薄膜和其电阻率(R-R0)/R0之间的关系对比图；

图5为本发明实施例2的银纳米线柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的银纳米线导电薄膜和其电阻率(R-R0)/R0之间的关系对比图。

具体实施方式

以下所述仅是本发明的具体实施方式，本领域技术人员可通过该说明书所阐述的内容轻易地了解本发明的各项细节与应用，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改善和润饰，这些改善改进和润饰也应视为本发明的保护范围。实施例1

一种基于碳纳米管柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，包括以下步骤：

a.柔性可拉伸PDMS衬底的制备

1)将基本组分A与固化剂B按10:1质量比混合，搅拌30min，混合均匀，抽气泡；

2)将无气泡的A、B混合组分，再次搅拌10min,抽气泡；

3)将其转移到塑料培养皿中，抽气泡；

4)将培养皿放置在70℃条件下，固化7h；

5)最后，将PDMS和塑料培养皿进行剥离。

b.一维纳米材料溶液的制备

取0.01g碳纳米管置于15ml的离心管中，用吸管吸入10ml的乙醇，用塑料封口胶带封好，放入功率为240w的超声机中进行超声，时间为6h，离心，静置一夜。

c.玻璃片的清洗

将切好的2.5*2.5cm的玻璃片分别在去离子水、异丙醇、乙醇、去离子水中分别超声10min，最后用氮气吹干。

d.超延展、高稳定、基于一维纳米材料薄膜的高效制备：

1)将10mg/ml的碳纳米管溶液取4ml置于喷枪中，对玻璃衬底进行喷涂，制备碳纳米管薄膜；

2)薄膜干燥后，在薄膜表面旋涂一层薄的PDMS胶体，得到碳纳米管和PDMS的混合薄膜，布胶速度600转、布胶时间10s；匀胶速度600转、匀胶时间10s；

3)将已固化且预拉伸后的PDMS，用铁夹子固定在混合薄膜表面；

4)在其表面给予重压1.2N，10min后放入真空干燥箱；将薄膜置于70℃条件下，固化7h。

5)固化结束后，将PDMS和玻璃进行剥离，得到以PDMS为衬底的柔性超延展碳纳米管导电薄膜。

实施例2

一种基于银纳米线柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，包括以下步骤：

a.柔性可拉伸PDMS衬底的制备

2)将无气泡的A、B混合组分，再次搅拌10min,抽气泡；

3)将其转移到塑料培养皿中，抽气泡；

4)将培养皿放置在70℃条件下，固化7h；

5)最后，将PDMS和塑料培养皿进行剥离。

b.玻璃片的清洗

c.超延展、高稳定、基于一维纳米材料薄膜的高效制备：

1)取5mg/ml的银纳米线乙醇溶液0.5ml一维纳米材料溶液置于喷枪中，对玻璃衬底进行喷涂，制备一维纳米材料薄膜；

2)薄膜干燥后，在薄膜表面旋涂一层薄的PDMS胶体，得到银纳米线和PDMS的混合薄膜，布胶速度700转、布胶时间15s；匀胶速度700转、匀胶时间15s；

4)在其表面给予重压0.8N，15min后放入真空干燥箱；将薄膜置于65℃条件下，固化6h。

5)固化结束后，将PDMS和玻璃进行剥离，得到以PDMS为衬底的柔性超延展银纳米线导电薄膜。

分别对实施例1制备的碳纳米管柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的碳纳米管导电薄膜进行电阻测量，如图2所示，图上三种方法所使用的薄膜的制备工艺是相同的。M1为本发明的方法，M2的方法为将未固化的PDMS直接倒在薄膜上、固化7h、剥离得到柔性可拉伸薄膜。M3的方法为将已固化的PDMS紧贴在薄膜上，800g-1200g的重物压制、加热7h、剥离得到的柔性薄膜。M1和M3其预拉伸大小均为0％。分别对实施例2制备的银纳米线柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的银纳米线导电薄膜进行电阻测量，其预拉伸大小均为0％，如图3所示。

从图2和图3可以看出，M1和M3在PDMS衬底没有进行预拉伸的情况下，M1和M2的电阻是差不多的，也就是说在没有预拉伸的情况下，两种方法的转移效率是相同的，M3的电阻是最大的，说明其转移效率是最低的。

分别对实施例1的碳纳米管柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的碳纳米管导电薄膜进行电阻率(R-R0)/R0关系对比，如图4所示，在拉伸范围从10％-50％循环测试电学性能，M1、M2、M3均为第5次循环，其预拉伸大小均为20％。再分别对实施例2的银纳米线柔性超延展导电薄膜与现有技术制备的银纳米线导电薄膜进行电阻率(R-R0)/R0关系对比，如图5所示，在拉伸范围从10％-50％循环测试电学性能。M1为第5次循环，M2为第5次循环，M3为第1次循环，其预拉伸大小均为20％。

从图4和图5可以看出，M1即本发明的方法不光转移效率高，而且可进行PDMS衬底的预拉伸处理，经过5次循环测试后，其(R-R0)/R0的值是最小的，即电性能最稳定。虽然方法M2薄膜的转移效率也很高，但因其不能进行预拉伸处理，所以其电性能比较稳定。方法M3的缺点是：第一，薄膜的转移效率非常的低；其二，虽然其在制作工艺上虽然可以进行预拉伸的前期的处理，但在进行拉伸测试的时候PDMS表面上的薄膜很容易脱落，非常的不稳定，所以只做了一个循环，故(R-R0)/R0的值最大。

Claims

1.一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)制备柔性可拉伸PDMS衬底；

2)在工作台上，将一维纳米材料溶液均匀地喷涂在硬质衬底上，制备成导电薄膜；

2.根据权利要求1所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤1)的PDMS衬底由DOW CORNING SYLGARD184硅橡胶制备。

3.根据权利要求1所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤2)的一维纳米材料为碳纳米管和银纳米线中的一种，一维纳米材料溶液的溶剂为乙醇。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤2)的一维纳米材料为碳纳米管，碳纳米管分散液为室温条件下超声6h-10h所得。

5.根据权利要求4所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤2)在硬质衬底喷涂薄膜的过程中加热台温度为80℃-100℃。

6.根据权利要求1所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤2)的硬质衬底为玻璃片；硬质衬底分别用去离子水、异丙醇、乙醇、去离子水各超声10min-30min,氮气吹干。

7.根据权利要求1所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤3)的旋涂选用匀胶机，其工作条件为：转数：布胶600-1000转，匀胶600-1000转，旋涂时间：布胶时间为10-20s，匀胶时间为10-20s。

8.根据权利要求1所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤4)的PDMS预拉伸后，其增长部分的长度为其原有长度的8％-25％。

9.根据权利要求1所述的一种基于一维纳米材料柔性超延展导电薄膜的高效制备方法，其特征在于：所述步骤5)的表面给予重压值为0.8N-1.2N；常温放置时间为10-15min；加热温度为60℃-70℃，固化时间为5h-7h。