CN109773209A - 铜纳米线、制备方法及其在透明导电薄膜上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铜纳米线的制备方法，包括以下步骤：将无水乙醇、氢氧化钠溶液以及氯化铜溶液混合得到一原始液；将吡咯单体加入到所述原始液中搅拌后得到一反应液；将水合肼加入到所述反应液中进行还原反应后得到一中间溶液；将所述中间溶液在冰水中静置后得到一絮状物；将所述絮状物超声离心，从而获得所述铜纳米线。本发明还提供一种铜纳米线，所述铜纳米线的长度为5～15μm，所述铜纳米线的直径为100～200nm，所述铜纳米线表面包覆有聚吡咯。本发明还提供了一种所述铜纳米线在透明导电薄膜上的应用。

Description

铜纳米线、制备方法及其在透明导电薄膜上的应用

技术领域

本发明涉及金属纳米材料领域，尤其涉及一种铜纳米线、制备方法及其在透明导电薄膜上的应用。

背景技术

近年来，纳米结构的金属材料由于其优良的性能和广泛的应用前景，引起了科研工作者的热情。研究实验表明，金属纳米结构在纳米器件互连，纳米催化，传感器等领域具有广泛的应用潜能。特别是金属银纳米结构，由于其出色电子转移能力而广受关注。但是，银纳米结构的实际应用严重受限于其稀有的存储量和高昂的成本。和银相比，金属铜具有相似的电导率，热导率和机械性能，因此，被认为是代替银的理想材料。然而，铜纳米结构在空气中易于氧化，导致其导电性，机械性能变差，严重制约着铜纳米结构的实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种抗氧化性较好的铜纳米线，从而解决以上问题。

另，还有必要提供一种上述铜纳米线的制备方法以及所述铜纳米线在透明导电薄膜上的应用。

本发明提供一种铜纳米线的制备方法，包括以下步骤：

将无水乙醇、氢氧化钠溶液以及氯化铜溶液混合得到一原始液；

将吡咯单体加入到所述原始液中搅拌后得到一反应液；

将水合肼加入到所述反应液中进行还原反应后得到一中间溶液；

将所述中间溶液在冰水中静置后得到一絮状物；

将所述絮状物超声离心，从而获得所述铜纳米线。

本发明还提供一种铜纳米线，所述铜纳米线的长度为5～15μm，所述铜纳米线的直径为100～200nm，所述铜纳米线表面包覆有聚吡咯。

本发明还提供一种利用所述铜纳米线制备铜纳米线透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：

将所述铜纳米线配置为铜纳米线分散液；

提供一基底材料；

将所述铜纳米线分散液涂覆在所述基底材料表面，形成铜纳米线薄膜；以及

热处理所述铜纳米线薄膜，从而形成所述铜纳米线透明导电薄膜。

本发明还提供一种所述铜纳米线在透明导电薄膜上的应用。

本发明所具有的优点：本发明提供了一种铜纳米线的制备方法，该方法具有低成本、高产率以及可工业化的特点；使用该方法制备的铜纳米线形貌均匀、抗氧化性好。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中的铜纳米线的制备流程图。

图2是本发明实施例1中铜纳米线的扫描电镜(SEM)图。

图3是本发明实施例1-4中铜纳米线透明导电薄膜的方阻测试图。

图4是本发明实施例1中制备的铜纳米线透明导电薄膜的导电率与透光率的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供一种铜纳米线的制备方法，包括以下步骤：

S11、将无水乙醇、氢氧化钠溶液以及氯化铜溶液混合得到一原始液。

在本实施方式中，无水乙醇的体积为10mL，所述氢氧化钠溶液的浓度为7M，所述氢氧化钠溶液的体积为20mL，所述氯化铜溶液的浓度为0.1M，所述氯化铜溶液的体积为1mL。

S12、将吡咯单体加入到所述原始液中搅拌后得到一反应液。

在本实施方式中，所述吡咯单体的加入量为0～1mL。优选地，所述吡咯单体的加入量为0.5mL。

S13、将水合肼加入到所述反应液中进行还原反应后得到一中间溶液。

在本实施方式中，所述水合肼的加入量为5～20μL。优选地，所述水合肼的加入量为10μL。在本实施方式中，所述反应温度为50～80℃，所述反应时间为4min。优选地，所述反应温度为60℃。

其中，水合肼作为还原剂，将氯化铜溶液中的氯化铜还原为铜。

S14、将所述中间溶液在冰水中静置后得到一絮状物。

在本实施方式中，所述静置时间为1～40h。优选地，所述静置时间为20h。所述絮状物包括所述铜纳米线。

在高温(50～80℃)时，氯化铜溶液中的铜离子被还原的速率太快，导致吡咯对其形貌难以控制，从而出现很多不规则，粗大杂乱的结构。为了能改善铜纳米线的形貌，使得到的铜纳米线具有明显的一维结构，本发明采用在高温阶段形核，然后快速冷却至室温温度的生长的方法，即将所述中间溶液放置在冰水中静置。

S15、将所述絮状物超声离心，从而获得所述铜纳米线。

本发明还提供一种铜纳米线，所述铜纳米线的形貌均匀，所述铜纳米线的长度为5～15μm，所述铜纳米线的直径为100～200nm，所述铜纳米线表面包覆有聚吡咯。

其中，所述聚吡咯为形貌控制剂与表面修饰剂。

本发明还提供一种利用所述铜纳米线制备铜纳米线透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：

S21、将所述铜纳米线配置为铜纳米线分散液。

在本实施方式中，首先配制分散液，具体如下：将3g聚乙烯吡咯酮溶解在3g乙醇中，然后加入0.5g乙酸乙酯、1g乙酸戊酯、1g异丙醇以及1.7g的甲苯，即得分散液；然后处理铜纳米线，具体如下：用油墨超声洗涤铜纳米线，并离心分离，重复三次；最后将所述铜纳米线分散在所述分散液中，最终得到浓度为2mg/ml的铜纳米线分散液。

S22、提供一基底材料。

在本实施方式中，所述基底材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

更具体地，所述基底材料包括PET基材以及形成于PET基材上的乙基纤维素载体层。所述基底材料的制备包括如下步骤：

第一步、PET片的清洗：将PET剪成大小为6×3大小的片状，先利用去离子水超声洗涤，再分别无水乙醇，丙酮，异丙醇超声洗涤后，用镊子夹取出来，用吹风机吹干。用镊子夹取出来，用吹风机吹干。

第二步、乙基纤维素层的制备：先量取0.1mL的质量分数为5％的配置的乙基纤维素乙醇溶液，然后在采用旋涂法，将其旋涂在清洗好的PET基材上。旋涂的工艺参数为：600r/min旋涂6s和2000r/min旋涂15s。旋涂完成后，再在90℃下干燥10min，从而在PET基材上形成乙基纤维素载体层。

S23、将所述铜纳米线分散液涂覆在所述基底材料表面，形成铜纳米线薄膜。

在本实施方式中，使用麦耶棒刮涂法将所述铜纳米线分散液涂覆在所述基底材料表面。

使用麦耶棒刮涂法涂覆所述铜纳米线包括以下步骤：

第一步、刮涂过程：将旋涂了乙基纤维素层的PET片平铺在加温度为60℃的加热台上，量取配置好的铜纳米线分散液滴在上述PET基板上一端，用麦耶棒匀速刮开，然后在60℃的温度下，干燥。

第二步、在完全干燥后，在与上次刮涂的垂直的方向，重复上述的刮涂过程可以制备第二层，然后再干燥。重复上述过程，可制备三层，四层的铜纳米线薄膜。

S24、热处理所述铜纳米线薄膜，从而形成所述铜纳米线透明导电薄膜。

在本实施方式中，将涂布好所述铜纳米线薄膜的PET片完全干燥后，将其背面粘附在玻璃基板上，在管式炉氮气的气氛(600mL/min)中热处理60min。

在本实施方式中，所述热处理温度为120～180℃。优选地，所述热处理温度为160℃。

本发明还提供一种所述铜纳米线在透明导电薄膜上的应用。

下面通过实施例对本发明进行具体说明。

实施例1

第一步、首先在100mL的烧杯中注入10mL无水乙醇与20mL浓度为7M氢氧化钠溶液，用磁力搅拌子搅拌10分钟，使混合均匀。

第二步、然后将浓度为0.1M的氯化铜溶液1mL加入到烧杯中，搅拌10分钟。

第三步、将0.5mL的吡咯单体缓慢注入到上述溶液中，磁力搅拌速度为200rmp，室温下搅拌20h。

第四步、往装有反应液的烧杯中缓慢注入10μL的水合肼，混合均匀后，立即将其移入60℃的水浴锅中，搅拌反应四分钟。

第五步、等溶液的颜色变成橙黄色，立即将烧杯移入到冰水之中静置，5h后烧杯中的反应液不再变化。

第五步、将上层的悬浮的絮状物吸出到离心管中，用去离子水，酒精，丙酮多次的超声，离心，得到铜纳米线。最后将得到的铜纳米线保存在酒精中，超声分散，配置成铜纳米线的乙醇分散液。

第六步、采用上述麦耶棒刮涂法涂覆所述铜纳米线于基底材料上，其中，铜纳米线的刮涂层数为一层，然后干燥并进行热处理，从而制得铜纳米线透明导电薄膜。

实施例2

与实施例1不同的是，铜纳米线在基底材料上的刮涂层数为两层。其它制备步骤与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3

与实施例1不同的是，铜纳米线在基底材料上的刮涂层数为三层。其它制备步骤与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例4

与实施例1不同的是，铜纳米线在基底材料上的刮涂层数为四层。其它制备步骤与实施例1相同，此处不再赘述。

对实施例1得到的铜纳米线进行扫描电镜测试，测试结果请参阅图2。从图2可以看出，所述铜纳米线形貌均匀，长度为5-15μm，直径为100～200nm。所述铜纳米线的表面被一层聚吡咯层所覆盖，所述聚吡咯层对所述铜纳米线具有良好的保护作用，使所述铜纳米线具有良好的抗氧化性。

用四探针电阻测试仪对实施例1-4得到的铜纳米线透明导电薄膜进行方阻测试，测试结果如图3所示。从图3可以看出，随着旋涂层数的增加，所述铜纳米线透明导电薄膜的方阻整体呈现一个下降的趋势，其中，实施例2中在旋涂第二层之后，方阻的降低特别明显，而实施例3-4在旋涂第三，第四层后，所述铜纳米线透明导电薄膜的方阻虽然有所降低，但降低的幅度明显减小。所述铜纳米线透明导电薄膜的方阻随着涂布层数的增加而降低，这是因为造成铜纳米线网格电阻传导阻碍最大的地方是铜纳米线相互直接搭接的点。随涂布层数的增加。铜纳米线膜层厚度增加，虽然新增的铜纳米线可增加薄膜的导电率，但增加的接点同时会增大薄膜的方阻，因此，薄膜的方阻在增加涂布层数后下降缓慢。

图4为实施例1得到的铜纳米线透明导电薄膜的导电率与透光率的关系图，从图4可以看出，导电薄膜的方阻随着透光率的降低而变小。在透光率较高时，随透光率的降低，所述铜纳米线透明导电薄膜方阻值得降低更为明显。而目前市场的电阻式触摸屏对方阻值的要求为300Ω/sq，透光率为82％～92％。本发明制备的所述铜纳米线透明导电薄膜能达到市场上的产品对透光率和电阻率的要求。

本发明提供的铜纳米线的制备方法具有以下优点：该方法具有低成本、高产率以及可工业化的特点；使用该方法制备的铜纳米线形貌均匀、抗氧化性好。

以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种铜纳米线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将无水乙醇、氢氧化钠溶液以及氯化铜溶液混合得到一原始液；

将吡咯单体加入到所述原始液中搅拌后得到一反应液；

将水合肼加入到所述反应液中进行还原反应后得到一中间溶液；

将所述中间溶液在冰水中静置后得到一絮状物；

将所述絮状物超声离心，从而获得所述铜纳米线。

2.如权利要求1所述的铜纳米线的制备方法，其特征在于，所述无水乙醇的体积为10mL，所述氢氧化钠溶液的浓度为7M，所述氢氧化钠溶液的体积为20mL，所述氯化铜溶液的浓度为0.1M，所述氯化铜溶液的体积为1mL。

3.如权利要求1所述的铜纳米线的制备方法，其特征在于，所述吡咯单体的加入量为0～1mL。

4.如权利要求1所述的铜纳米线的制备方法，其特征在于，所述水合肼的加入量为5～20μL。

5.如权利要求1所述的铜纳米线的制备方法，其特征在于，所述反应温度为50～80℃，所述反应时间为4min。

6.如权利要求1所述的铜纳米线的制备方法，其特征在于，所述静置时间为1～40h。

7.一种铜纳米线，其特征在于，所述铜纳米线的长度为5～15μm，所述铜纳米线的直径为100～200nm，所述铜纳米线表面包覆有聚吡咯。

8.一种利用权利要求7所述的铜纳米线制备铜纳米线透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述铜纳米线配置为铜纳米线分散液；

提供一基底材料；

将所述铜纳米线分散液涂覆在所述基底材料表面，形成铜纳米线薄膜；以及

热处理所述铜纳米线薄膜，从而形成所述铜纳米线透明导电薄膜。

9.如权利要求8所述的铜纳米线透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述基底材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述热处理的温度为120～180℃。

10.一种如权利要求7所述铜纳米线在透明导电薄膜上的应用。