CN110041545B - 纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料及其制备方法，属于纺织材料技术领域。它由纳米纤维三维网络骨架、复合在纳米纤维三维网络骨架内部或/和表面的导电网络及包覆纳米纤维三维网络骨架与导电网络的透明聚合物基体组成，各组分的质量百分比为，纳米纤维三维网络骨架:导电网络:透明聚合物基体＝(50～9):(10～1):(90～40)。本发明利用纳米纤维为模板，使具有优异导电性能的纳米材料在透明聚合物基体中形成三维连续导电通道，在提高复合材料透明性的基础上，还提高了聚合物基体的导电性能。

Description

纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料，属于纺织材料技术领域，具体地涉及一种纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，在以液晶显示元件为代表的各种显示器、手机等电子器件中，轻薄短小化的发展正在加速进行，随之而来的是，用塑料膜代替以往所使用的玻璃基板的研究正在如火如荼地进行。塑料膜不仅质量轻便，而且柔性优良，因此，如果能够将厚度几微米左右的薄的塑料膜制成基膜，在该基膜上形成透明导电层而构成透明导电膜，将该透明导电膜应用于例如液晶显示元件、有机电致发光元件、分散型电致发光元件、电子纸元件、太阳能电池或触摸屏等的话，则能够得到极其轻量且柔软的柔性功能性元件。
与传统的透明导电膜相比，柔性透明导电膜除具有优良的透光性和导电性之外，还具有柔韧、质轻、廉价且能大规模生产的优势。目前的柔性透明导电膜一般是通过将导电材料沉积到聚合物基体上制备得到的，如中国发明专利(公告号：CN101842854A，公开日：2010-09-22)公开了一种导电性稳定并且柔性优良的透明导电膜。然而为避免基膜易出现微裂纹而导致导电性裂化的问题，将第二透明导电层与第一透明导电层相互密合，不仅需使用粘合剂，同时还存在内部组成结构比较复杂的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。其利用纳米纤维为模板，使具有优异导电性能的纳米材料在透明聚合物基体中形成三维连续导电通道，在提高复合材料透明性的基础上，还提高了聚合物基体的导电性能。
为实现上述目的，本发明公开了一种纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，它由纳米纤维三维网络骨架、复合在所述纳米纤维三维网络骨架内部或/和表面的导电网络及包覆所述纳米纤维三维网络骨架与导电网络的透明聚合物基体组成，各组分的质量百分比为，纳米纤维三维网络骨架:导电网络:透明聚合物基体＝(50～9):(10～1):(90～40)。
优选的，各组分的质量百分比为，纳米纤维三维网络骨架:导电网络:透明聚合物基体＝(45～15):(8～3):(82～47)。
进一步地，所述纳米纤维三维网络骨架的材质为聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚乙烯醇或聚烯烃共聚物中的至少一种。
优选的，所述聚酯包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯。
优选的，所述聚酰胺包括尼龙6或尼龙66。
优选的，所述聚烯烃包括聚乙烯或聚丙烯。
优选的，所述聚烯烃共聚物包括乙烯-乙烯醇共聚物、聚烯烃弹性体。
进一步地，所述透明聚合物基体的折射率与纳米纤维三维网络骨架的折射率相匹配。即二者的折射率区别不大。
优选的，由于纳米纤维三维网络骨架的纳米效应，所述明聚合物基体的折射率与纳米纤维三维网络骨架的折射率之差为±0.1。
优选的，所述透明聚合物基体的材质包括聚酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或环氧树脂中的一种。
优选的，所述聚酯包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯。
进一步地，所述纳米纤维三维网络骨架中纳米纤维直径为50～500nm。
优选的，所述纳米纤维三维网络骨架中纳米纤维直径为100～400nm。
优选的，所述纳米纤维三维网络骨架中纳米纤维直径为150～350nm。
为了更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了上述复合材料的制备方法，它包括将纳米纤维三维网络骨架与导电纳米材料复合得纳米纤维基三维导电网络，再将所述纳米纤维基三维导电网络与透明聚合物基体经浸渍-固化或熔融热压制得复合材料。
进一步地，所述导电纳米材料包括银浆、银纳米线、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。
进一步地，所述纳米纤维基三维导电网络的制备包括如下过程：
将导电纳米材料添加至聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚乙烯醇或聚烯烃共聚物的至少一种中，经静电纺丝或熔融共混工艺使导电纳米材料填充在纳米纤维三维网络骨架的内部。
进一步地，所述纳米纤维基三维导电网络的制备包括如下过程：
采用沉积、吸附或蒸镀方式中的任意一种使导电纳米材料复合到纳米纤维三维网络骨架的表面。
进一步地，所述纳米纤维基三维导电网络的制备包括如下过程：
同时采用静电纺丝、熔融共混工艺中的一种及沉积、吸附、蒸镀方式中的一种使导电纳米材料同时复合在纳米纤维三维网络骨架的内部及表面。
进一步地，所述浸渍-固化包括取纳米纤维基三维导电网络浸渍于透明聚合物基体溶液中，待孔隙填充完全后，干燥即可。
进一步地，所述熔融热压包括将纳米纤维基三维导电网络置于高温下，使纳米纤维三维网络骨架部分或者全部熔融，形成透明的聚合物基体，而导电网络依然维持其原有三维分布形态，经热压冷却后制备得到纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明设计了一种聚合物复合材料的制备方法，通过采用不同制备工艺，将导电材料填充在纳米纤维三维网络骨架内部或复合在其表面，得到具备不同微观结构的复合材料；
2、本发明设计了一种聚合物复合材料，其具备良好的导电性及透明性，可用于生产柔性透明电极，应用于太阳能电池、液晶显示器、发光二极管、触摸屏等领域。
附图说明
图1为本发明复合材料的微观结构示意图；
图2为本发明复合材料的微观结构示意图；
图3为本发明复合材料的微观结构示意图；
图4为本发明复合材料的微观结构示意图；
图5为本发明实施例1制得复合材料的电镜图；
图6为本发明实施例4制得复合材料的电镜图；
图7为本发明实施例5制得复合材料的电镜图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
熔融共混工艺—导电材料填充在纳米纤维三维网络骨架内部；
将质量分数为5％的碳纳米管(CNTs)与聚丙烯共聚物(PP)共混，经熔融共混挤出造粒后制备得到CNTs/PP复合母粒。然后将CNTs/PP与醋酸丁酸纤维素(CAB)共混，利用熔融共混纺丝法制备CNTs/PP/CAB复合纤维。将此复合纤维浸泡在丙酮中去除CAB后，即制备得到CNTs/PP导电纳米纤维，CNTs填充于纳米纤维内部。将CNTs/PP导电纳米纤维分散在乙醇、丙醇、去离子水的共混溶剂中，利用涂膜法制备CNTs/PP导电纳米纤维膜，此过程中CNTs借助纳米纤维三维网络形成导电网络。将此导电纳米纤维膜浸渍在含有聚醚胺固化剂的环氧树脂溶液中，使环氧树脂溶液充分填充导电纳米纤维膜的孔隙，然后取出，并在80℃条件下加热固化，即得到纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。
实施例2
静电纺丝工艺—导电材料填充在纳米纤维三维网络骨架内部；
称取2％的石墨烯加入到甲酸中，超声波处理2h，然后将质量分数为20％的尼龙6加入到上述分散液中，经磁力搅拌充分溶解后得到GO/PA6静电纺丝液。利用静电纺丝法制备GO/PA6复合纳米纤维膜，此过程中GO分散在PA6纳米纤维内部，并借助纳米纤维形成导电网络。将此导电纳米纤维膜浸渍在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液，使溶液充分填充导电纳米纤维膜的孔隙，然后取出，并在80℃条件下加热固化，即得到纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。
实施例3
沉积—导电材料复合在纳米纤维三维网络骨架表面；
将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)与CAB按照20/80的比例混合均匀，通过熔融共混纺丝法制备PET纳米纤维膜。然后将PET纳米纤维膜剪成4×4cm的正方形小片，依次放入装有100mL的10g/L过硫酸铵((NH4)2S2O8)，氯化亚锡(SnCl2，20g/L)的盐酸溶液(80mL/L)中，硝酸银(AgNO3，0.5g/L)的氨水(40mL/L)溶液中，于30℃摇床分别反应10min，进行粗化、敏化及活化处理。然后配置银氨溶液，具体方法为在烧杯中分别加入250mL去离子水和3g硝酸银(AgNO3)，搅拌待完全溶解，再依次加入50mL氨水(NH3·H2O)、50mL无水乙醇(C2H5OH)，50mL40g/L的氢氧化钠(NaOH)溶液，搅拌待溶液澄清，加去离子水至溶液体积为450mL，将活化后的样品放入装有银氨溶液的烧杯中，并逐滴加入100mL80g/L的葡萄糖还原剂，30℃下在摇床反应2h，即制备得到表面沉积有导电银纳米颗粒的PET纳米纤维膜。然后将此导电纳米纤维膜浸渍在聚碳酸酯(PC)溶液中，使溶液充分填充导电纳米纤维膜的孔隙，然后取出，并在60℃条件下加热固化，即得到纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。
实施例4
吸附—导电材料复合在纳米纤维三维网络骨架表面；
将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与CAB按照20/80的比例混合均匀，通过熔融共混纺丝法制备PET纳米纤维膜。然后将PET纳米纤维膜浸入到0.1％银纳米线水溶液中，反复浸渍，使银纳米线吸附在纳米纤维膜表面或间隙中，借助纳米纤维模板形成三维导电网络，取出烘干后即得到表面吸附有银纳米线的纳米纤维膜。将此吸附有银纳米线的纳米纤维膜置于加热台上，于200℃加热，使PET纳米纤维部分或全部溶解，形成透明的聚合物基体，而银纳米线依然维持其原有的三维网络结构，再经过加压、冷却，制备得到纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。
实施例5
蒸镀—导电材料复合在纳米纤维三维网络骨架表面；
将乙烯-乙烯醇共聚物(PVA-co-PE)与CAB按照20/80的比例混合均匀，通过熔融共混纺丝法制备PVA-co-PE纳米纤维膜。利用真空镀膜机在PVA-co-PE纳米纤维膜表面蒸镀一层Ag薄膜，Ag原子会沉积在纳米纤维表面，形成三维导电网络。然后将此纳米纤维基三维导电网络浸渍在含有聚醚胺固化剂的环氧树脂溶液中，使环氧树脂溶液充分填充导电纳米纤维膜的孔隙，然后取出，并在80℃条件下加热固化，即得到纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料。
其中，图1、图2、图3及图4展示了上述复合材料的内部微观结构示意图，且图1和图2是导电颗粒或导电纤维填充在纳米纤维三维网络骨架内部，图3和图4是导电颗粒或导电纤维复合在纳米纤维三维网络骨架表面。结合如下表1可知，导电材料复合在纳米纤维网络表面时，形成的导电网络可以直接相互连接，因此制备所得透明复合材料的导电性更好。
上述实施例1制得的复合材料内部结构如图5所示，由图5可看出只有部分碳纳米管暴露在纳米纤维表面，大部分碳纳米管分散在纳米纤维网络内部，使纳米纤维本身具有导电性，形成三维导电网络。上述实施例4和实施例5制得的复合材料内部结构分别如图6和图7，由图6和图7可看出通过浸渍法可以使银纳米线贯穿于纳米纤维网络中，借助于纳米纤维模板形成三维导电网络，而通过蒸镀法可以使导电纳米颗粒沉积于纳米纤维表面，纤维之间互相搭接，形成三维导电网络。
上述实施例1～5得到复合材料的性能如表1：
表1性能列表
样品 透明度 电导率(S/cm)
实施例1 CNTs/PP/PMMA 61.7％ 88
实施例2 GO/PA6/PMMA 72.5％ 96
实施例3 Ag/PET/PC 53.6％ 118
实施例4 AgNW/PET 85.2％ 131
实施例5 Ag/PVA-co-PE/Epoxy 55.3％ 123
此外，本发明制备的复合材料透明性主要与导电纳米材料的添加量、尺寸、分布状态以及分散相与基体相的折射率等因素有关。
由表1可知，实施例4制得的复合材料，其透明性和导电性都较好，这可能是因为本实施例中选用了PET纳米纤维为骨架，然后将其直接加热熔融并压片形成基体，一方面减小了聚合物纳米纤维与基体的折射率差异。此外，另一方面改善了导电银纳米线之间的连接性，因此制备所得复合材料的透明性和导电性都较好。
对比例1
本对比例采用实施例4的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与PET纳米纤维复合，得到复合材料的透明度为86.7％，电导率为20S/cm。
对比例2
本对比例采用实施例4的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)与银纳米线复合，得到复合材料的透明度为84.2％，电导率为80S/cm。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，它由纳米纤维三维网络骨架、复合在所述纳米纤维三维网络骨架内部或/和表面的导电网络及包覆所述纳米纤维三维网络骨架与导电网络的透明聚合物基体组成，各组分的质量百分比为，纳米纤维三维网络骨架:导电网络:透明聚合物基体＝(50～9):(10～1):(90～40)；所述透明聚合物复合材料的制备方法包括：将所述纳米纤维三维网络骨架与导电纳米材料复合得纳米纤维基三维导电网络，再将所述纳米纤维基三维导电网络熔融热压，使部分所述纳米纤维三维网络骨架熔融，形成透明的聚合物基体，再经过加压、冷却，制得所述复合材料。
2.根据权利要求1所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述纳米纤维三维网络骨架的材质为聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚乙烯醇中的至少一种。
3.根据权利要求1所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述透明聚合物基体的折射率与纳米纤维三维网络骨架的折射率相匹配。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述纳米纤维三维网络骨架中纳米纤维直径为50～500nm。
5.根据权利要求1所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述导电纳米材料包括银浆、银纳米线、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述纳米纤维基三维导电网络的制备包括如下过程：
将导电纳米材料添加至聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚乙烯醇的至少一种中，经静电纺丝或熔融共混工艺使导电纳米材料填充在纳米纤维三维网络骨架的内部。
7.根据权利要求1所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述纳米纤维基三维导电网络的制备包括如下过程：
采用沉积、吸附或蒸镀方式中的任意一种使导电纳米材料复合到纳米纤维三维网络骨架的表面。
8.根据权利要求1所述纳米纤维基三维导电网络增强柔性透明聚合物复合材料，其特征在于：所述纳米纤维基三维导电网络的制备包括如下过程：
同时采用静电纺丝、熔融共混工艺中的一种及沉积、吸附、蒸镀方式中的一种使导电纳米材料同时复合在纳米纤维三维网络骨架的内部及表面。
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