CN110484248A - 一种柔性碳量子点薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。本发明采用聚乙烯亚胺分解得到的碳量子点为原材料，将其与采用聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇混合，在室温下通过层层自组装形成透明均匀的量子点薄膜，在紫外光照射下发出明亮均匀的蓝绿色荧光。本发明提供的方法合成工艺简便，效率高，制备的柔性薄膜厚度小，韧性高，力学性能良好，有望应用于柔性LED屏材料及可穿戴设备等。

Description

一种柔性碳量子点薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种柔性量子点薄膜的制备方法。该方法通过简单操作可制备出可自发荧光的柔性碳量子点薄膜，有望在柔性LED屏、可穿戴设备等领域取得广泛应用。
背景技术
柔性量子点薄膜凭借其可折叠、构型随意、省电等特点有望取代传统刚性薄膜在光电传感设备、可穿戴设备等领域获得广泛的应用。然而传统的半导体、钙钛矿量子点薄膜往往存在制备步骤繁琐，细胞毒性大，难以生物降解等问题。碳量子点作为一种生物相容性高的新型量子点材料，有望解决这些问题。但是，固体形态下的碳量子点易于团聚，往往造成其光致发光性能下降。因此，以生物相容性高、制备方法简单同时光致发光性能优异的碳量子点为原材料，发展一种过程简单、力学性能良好，同时不易团聚的柔性碳量子点薄膜的制备方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，以解决现有的量子点薄膜的制备步骤繁琐、细胞毒性高且韧性能差、量子点易于团聚等问题。本发明以聚乙烯亚胺（PEI）分解的碳量子点为原材料，以聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇(PVA)为基体材料，采用逐层旋涂、干燥的方法层层自组装制备了柔性碳量子点薄膜。
一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）采用高分子量聚乙烯亚胺分解制备的碳量子点功能性颗粒；
（2）采用聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇为成膜剂，成膜剂与碳量子点功能性颗粒以一定比例混合，在室温下通过层层自组装的方法，得到均匀透明的碳量子点薄膜。
进一步的，步骤（2）中所述的层层自组装的方法是采用室温旋涂、中低温烘干不断循环的方式完成。
本发明制备柔性碳量子点薄膜的原理：以采用聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇为基底，PEI的加入有效的改善了PVA薄膜基底易脆断的特性。以基于PEI分解的碳量子点为功能性颗粒，采用“旋涂－烘干”这一层层自组装的方法，以便得到厚度均匀、颗粒分散良好的薄膜状材料。PEI分解得到的碳量子点可以与PEI很好的混溶，从而改善固体碳量子点易于团聚的性能。
进一步的，步骤（2）中所述聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇为成膜剂，是指分别配置50mg/mL的聚乙烯亚胺和聚乙烯醇水溶液，并按照体积比1：2~1：4的比例将聚乙烯亚胺水溶液和聚乙烯醇水溶液混合充分搅拌，混合均匀，得到所述成膜剂。在此比例范围内，通过聚乙烯亚胺加入量的不同，可实现薄膜基底韧性的调节以适应不同使用工况。
进一步的，碳量子点功能性颗粒与聚乙烯醇溶质的质量比为1:8~1：20。在此比例范围内，通过对碳量子点功能性颗粒加入量的调节，可调控柔性薄膜光致发光的性能。
进一步的，步骤（1）中所述的聚乙烯亚胺为市场上能够广泛购买到的支链化聚乙烯亚胺，其分子式是C2X+4KH5X+10KNX+2K且呈胶体。
进一步的，步骤（2）中所述的PVA为市场上能够广泛购买到的聚乙烯醇粉末，其分子式为[-CH2CHOH-]n。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用聚乙烯醇为基底，采用聚乙烯亚胺对其进行改性，采用聚乙烯亚胺分解制备的碳量子点为功能性颗粒，原材料简单常见。
2、本发明采用聚乙烯亚胺对聚乙烯醇进行改性，有效提高薄膜基底的韧性。
3、本发明采用PEI分解得到的碳量子点为功能性颗粒，可以与PEI很好的混溶，从而改善固体碳量子点易于团聚的性能。
4、本发明制备工艺简单，易于操作，应用范围广，形成的薄膜厚度在10-20微米之间，强度极限达到41.9MPa，弹性模量为23.9MPa，可独立作为功能性器件使用，或者负载于其他器件表面。
附图说明
图1实例1制备柔性碳量子点薄膜在白光和紫外光下的照片。
图2实例1制备的柔性碳量子点薄膜表面的扫描电子显微镜图。
图3实例1制备的柔性碳量子点薄膜应力应变曲线。
具体实施方式
步骤（2）中所述聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇为成膜剂，是指分别配置50mg/mL的聚乙烯亚胺和聚乙烯醇水溶液，并按照体积比1：2~1：4的比例将聚乙烯亚胺水溶液和聚乙烯醇水溶液充分搅拌，混合均匀，得到所述成膜剂。
碳量子点功能性颗粒与聚乙烯醇溶质的质量比为1:8~1：20（可选择1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15、1:16、1:17、1：18、1:19、1:20）。
所述层层自组装的方法，是将成膜剂与碳量子点功能性颗粒混合后所得混合溶液旋涂至放置于旋涂机上的载玻片上，低速旋涂20秒，干燥后再旋涂-干燥反复进行10次，彻底干燥后，将薄膜从载玻片上小心揭下，得到平整、均匀的碳量子点薄膜。
步骤（1）中所述的聚乙烯亚胺为分子量在10000以上的高度支链状聚乙烯亚胺。
步骤（2）中所述的聚乙烯醇为市场上能够广泛购买到的聚乙烯醇粉末，其分子式为[-CH2CHOH-]n。
所得碳量子点薄膜厚度在20微米以下；采用聚乙烯亚胺对聚乙烯醇进行改性从而得到韧性良好的薄膜基底。
步骤（1）中将聚乙烯亚胺分散在乙醇中制成浓度为10-50mg/10ml的溶液,充分搅拌后将溶液转入反应釜中，在180-200℃烘箱内反应10小时，自然冷却，即得到碳量子点原液；透析以除去多余未分解的聚乙烯亚胺，即得到自发荧光的碳量子点。
根据本发明所述技术方案选取具体实施例进行说明如下：
实施例1：
分别配置50mg/mL的PEI和PVA水溶液。分别取0.5mL的PEI水溶液和2mL的PVA水溶液混合，充分搅拌。取9mg聚乙烯亚胺分解制备的碳量子点加入混合溶液中，超声处理40分钟。将清洗干净且干燥的载玻片放置在旋涂机上，低速旋涂20秒，并将载玻片转移至热台上，35℃干燥；随后旋涂-干燥反复进行10次。彻底干燥后，将薄膜从载玻片上小心揭下，得到平整、均匀的碳量子点薄膜。白光下薄膜无色透明（图1左），365nm紫外光照射下发出均匀的蓝绿色荧光（图1右）。测试其厚度为15.3微米，强度极限为41.9MPa，弹性模量为23.9MPa（图3）。
实施例2：
分别配置50mg/mL的PEI和PVA水溶液。分别取1mL的PEI水溶液和2mL的PVA水溶液混合，充分搅拌。取6mg聚乙烯亚胺分解制备的碳量子点加入混合溶液中，超声处理40分钟。将清洗干净且干燥的载玻片放置在旋涂机上，低速旋涂20秒，并将载玻片转移至热台上，40℃干燥；随后旋涂-干燥反复进行10次。彻底干燥后，将薄膜从载玻片上小心揭下，得到平整、均匀的碳量子点薄膜。测量其厚度为19.7微米。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用高分子量聚乙烯亚胺分解制备的碳量子点为功能性颗粒；
（2）采用聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇为成膜剂，成膜剂与碳量子点功能性颗粒以一定比例混合，在室温下通过层层自组装的方法，得到均匀透明的碳量子点薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的层层自组装的方法是采用室温旋涂、中低温烘干不断循环的方式完成。
3.根据权利要求1所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述聚乙烯亚胺改性的聚乙烯醇为成膜剂，是指分别配置50mg/mL的聚乙烯亚胺和聚乙烯醇水溶液，并按照体积比1：2~1：4的比例将聚乙烯亚胺水溶液和聚乙烯醇水溶液充分搅拌，混合均匀，得到所述成膜剂。
4.根据权利要求3所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，碳量子点功能性颗粒与聚乙烯醇溶质的质量比为1:8~1：20。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，所述层层自组装的方法，是将成膜剂与碳量子点功能性颗粒混合后所得混合溶液滴涂至放置于旋涂机上的载玻片上，低速旋涂20秒，恒温干燥后，再旋涂-干燥反复进行10次，彻底干燥后，将薄膜从载玻片上揭下，得到平整、均匀的碳量子点薄膜。
6.根据权利要求1~4任一项所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的聚乙烯亚胺为分子量在10000以上的高度支链状聚乙烯亚胺。
7.根据权利要求1~4任一项所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的聚乙烯醇为市场上能够广泛购买到的聚乙烯醇粉末，其分子式为[-CH2CHOH-]n。
8.根据权利要求1~4任一项所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，所得碳量子点薄膜厚度在20微米以下。
9.根据权利要求1~4任一项所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，采用聚乙烯亚胺对聚乙烯醇进行改性从而得到韧性良好的薄膜基底。
10.根据权利要求1~4任一项所述的一种柔性碳量子点薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中将聚乙烯亚胺分散在乙醇中制成浓度为10-50mg/10ml的溶液，充分搅拌后将溶液转入反应釜中，在180-200℃烘箱内反应10小时，自然冷却，即得到碳量子点原液；透析以除去多余未分解的聚乙烯亚胺，即得到自发荧光的碳量子点。
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