CN110724290B - 一种高电导率pedot:pss自支撑厚膜、制备方法及其应用 - Google Patents

一种高电导率pedot:pss自支撑厚膜、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜、制备方法及其应用，属于导电高分子材料领域。本发明中高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜的制备方法，其步骤如下，首先将有机掺杂剂加入到PEDOT:PSS水溶液中，搅拌下配成均匀混合溶液；然后该混合溶液滴涂至清洗后的玻璃片上，烘干成膜；再将得到的膜冷却后放在水中浸泡并搅拌；最后将膜从水中取出后，烘干即得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，膜的厚度范围为2～20μm。本发明制备的厚膜的电导率比本征PEDOT:PSS膜提高了1000多倍。这种自支撑PEDOT:PSS厚膜不需要基底，制备方法简单、成本低，厚度具有优良的可调控性，并且具有优异的柔韧性，在柔性电子、热电材料等领域具有巨大的发展潜力和应用价值。

Description

一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于导电高分子材料领域，具体涉及一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜、制备方法及其应用。
背景技术
导电高分子材料是一种新型功能材料，其具有的稳定性好、毒性小、易加工等独特优点，使其在热电材料、电极材料、传感器、金属防腐、电容器等多个领域都拥有巨大的应用潜力。
聚3,4-乙烯二氧噻吩:对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)作为目前最热门的导电高分子材料之一，其可以通过溶液加工方法制备PEDOT:PSS膜，因此在实际应用中具有显著优势。由PEDOT:PSS溶液直接制备的本征PEDOT:PSS膜的电导率极低(<1S cm-1)，然而许多应用领域都对PEDOT:PSS膜的电导率提出了很高的要求，因此提高PEDOT:PSS膜的电导率尤为重要。
对于热电材料来说，高电导率对实现高功率因子、高热电性能至关重要；对于电极材料而言，高电导率能够显著提高电容量和能量密度；在电容器中，高电导率有利于提高充放电性能和静电性能。
文献中报道了一些提高PEDOT:PSS薄膜的电导率的方法，如酸(硫酸，甲酸等)处理和有机溶剂(二甲基亚砜、四氢呋喃等)掺杂。然而，这些方法对PEDOT:PSS厚膜(大于1微米)电导率的提高并不理想。目前常用的PEDOT:PSS膜一般是通过旋涂方法涂覆在基底材料上制备得到的。与之相比，自支撑厚膜不需要基底，制备方法简单、成本低，厚度具有优良的可调控性，并且具有优异的柔韧性，在柔性电子、热电材料等领域具有巨大的发展潜力和应用价值。
发明内容
发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜、制备方法及其应用。
本发明中高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜的制备方法，其步骤如下：
1)将有机掺杂剂加入到PEDOT:PSS水溶液中，搅拌下配成均匀混合溶液；
2)将步骤1)得到的混合溶液滴涂至清洗后的玻璃片上，烘干成膜；
3)将步骤2)得到的膜冷却后放在水中浸泡并搅拌；
4)将膜从水中取出后，烘干即得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜(该膜能够脱离玻璃片单独存在)，膜的厚度范围为2～20μm。
作为优选，步骤1)中，所使用的有机掺杂剂是乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800、聚乙二醇1000、N,N-二甲基甲酰胺、山梨醇、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、甘油中的一种或多种；
作为优选，步骤1)中，在PEDOT:PSS水溶液中有机掺杂剂的体积分数为1％～50％，搅拌时间为1～20h，搅拌速度为100～1000rmp；
作为优选，步骤2)中，烘干温度为30～200℃，烘干时间为1～20h；
作为优选，步骤3)中，PEDOT:PSS厚膜在水中浸泡并搅拌时间为1～20h；搅拌速度为100～1000rmp；
作为优选，步骤4)中，烘干温度为30～200℃，烘干时间为0.5～20h。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明采用掺杂有机掺杂剂以及溶剂浸泡的方法提高PEDOT:PSS厚膜的电导率，其电导率值比本征PEDOT:PSS膜提高了1000多倍。通过优化掺杂的有机掺杂剂的种类及体积分数得到了导电性能更佳、功率因子更优的PEDOT:PSS自支撑厚膜，电导率最高可达1416S cm-1。与当今运用较多的旋涂法制备的薄膜相比，这种自支撑PEDOT:PSS厚膜不需要基底，制备方法简单、成本低，厚度具有优良的可调控性，并且具有优异的柔韧性，在柔性电子、热电材料(功率因子最高可达61μW m-1K-2)等领域具有巨大的发展潜力和应用价值。
附图说明
图1是PEDOT:PSS厚膜的电导率与掺杂的聚乙二醇200的体积分数的关系图。
图2是实施例2制备得到的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜平展(a)和弯曲(b)的数码照片。可以观察到PEDOT:PSS厚膜，十分平整，并且可任意弯曲，柔性很好，展现了良好的自支撑性能。
图3是实施例2制备得到的高电导率PEDOT:PSS膜的原子力显微镜图。图a为高度图，图b为相图，可以观察到有更多的纤维状连接的PEDOT链，使电导率明显提高。
图4是实施例2制备得到的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜的拉曼光谱图。可以观察到1436cm-1处拉曼峰的偏移表明：PEDOT从苯式构象变为醌式构象，构象的变化使电导率和Seebeck系数都有明显的提高，因此功率因子的提高也就更为显著。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动前提下多获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面实施例的PEDOT∶PSS水溶液购自Heraeus公司，固含量1.3％wt，PEDOT和PSS的重量比为1∶2.5。
实施例1：聚乙二醇200的体积分数为1％时的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜
1.在室温下，将有机掺杂剂聚乙二醇200(PEG200)加入到PEDOT:PSS水溶液中，使用磁力搅拌器搅拌3h，搅拌速度为500rmp，配成聚乙二醇200体积分数为1％的PEDOT:PSS/PEG200的混合溶液。
2.将玻璃片分别用去离子水、丙酮、异丙醇清洗，将混合溶液滴涂在清洗过的玻璃片上，放入60℃的烘箱中2h，烘干成膜。
3.冷却后，将膜放在水中浸泡并搅拌4h，搅拌速度为200rmp。
4.将膜从水中取出后，将其在120℃加热台上0.5h烘干，得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，厚度7μm。
5.对高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜进行电导率、西贝克系数的测试，电导率可达到780S cm-1，西贝克系数可达到22μV K-1，功率因子可达到38μW m-1K-2。
实施例2：聚乙二醇200的体积分数为4％时的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜
1.在室温下，将有机掺杂剂聚乙二醇200(PEG200)加入到PEDOT:PSS水溶液中，使用磁力搅拌器搅拌3h，搅拌速度为500rmp，配成聚乙二醇200体积分数为4％的PEDOT:PSS/PEG200的混合溶液。
2.将玻璃片分别用去离子水、丙酮、异丙醇清洗，将混合溶液滴涂在清洗过的玻璃片上，放入60℃的烘箱中2h，烘干成膜。
3.冷却后，将膜放在水中浸泡并搅拌4h，搅拌速度为200rmp。
4.将膜从水中取出后，将其在120℃加热台上0.5h烘干，得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，厚度7μm。
5.对高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜进行电导率、西贝克系数的测试，电导率可达到1416S cm-1，西贝克系数可达到20μV K-1，功率因子可达到61μWm-1K-2。
实施例3：聚乙二醇200的体积分数为8％时的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜
1.在室温下，将有机掺杂剂聚乙二醇200(PEG200)加入到PEDOT:PSS水溶液中，使用磁力搅拌器搅拌3h，搅拌速度为500rmp，配成聚乙二醇200体积分数为8％的PEDOT:PSS/PEG200的混合溶液。
2.将玻璃片分别用去离子水、丙酮、异丙醇清洗，将混合溶液滴涂在清洗过的玻璃片上，放入60℃的烘箱中2h，烘干成膜。
3.冷却后，将膜放在水中浸泡并搅拌4h，搅拌速度为200rmp。
4.将膜从水中取出后，将其在120℃加热台上0.5h烘干，得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，厚度7μm。
5.对高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜进行电导率、西贝克系数的测试，电导率可达到1140S cm-1，西贝克系数可到达到17μV K-1，功率因子可达到34μWm-1K-2。
实施例4：聚乙二醇200的体积分数为50％时的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜
1.在室温下，将有机掺杂剂聚乙二醇200(PEG200)加入到PEDOT:PSS水溶液中，使用磁力搅拌器搅拌3h，搅拌速度为500rmp，配成聚乙二醇200体积分数为50％的PEDOT:PSS/PEG200的混合溶液。
2.将玻璃片分别用去离子水、丙酮、异丙醇清洗，将混合溶液滴涂在清洗过的玻璃片上，放入60℃的烘箱中2h，烘干成膜。
3.冷却后，将膜放在水中浸泡并搅拌4h，搅拌速度为200rmp。
4.将膜从水中取出后，将其在120℃加热台上0.5h烘干，得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，厚度7μm。
5.对高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜进行电导率、西贝克系数的测试，电导率可达到129S cm-1，西贝克系数可到达到18μV K-1，功率因子可达到4μWm-1K-2。
实施例5：聚乙二醇400的体积分数为1％时的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜
1.在室温下，将有机掺杂剂聚乙二醇400(PEG400)加入到PEDOT:PSS水溶液中，使用磁力搅拌器搅拌3h，搅拌速度为500rmp，配成聚乙二醇400体积分数为1％的PEDOT:PSS/PEG400的混合溶液。
2.将玻璃片分别用去离子水、丙酮、异丙醇清洗，将混合溶液滴涂在清洗过的玻璃片上，放入60℃的烘箱中2h，烘干成膜。
3.冷却后，将膜放在水中浸泡并搅拌4h，搅拌速度为200rmp。
4.将膜从水中取出后，将其在120℃加热台上0.5h烘干，得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，厚度7μm。
5.对高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜进行电导率、西贝克系数的测试，电导率可达到533S cm-1，西贝克系数可达到25μV K-1，功率因子可达到30μW m-1K-2。
实施例6：聚乙二醇800的体积分数为1％时的高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜
1.在室温下，将有机掺杂剂聚乙二醇800(PEG800)加入到PEDOT:PSS水溶液中，使用磁力搅拌器搅拌3h，搅拌速度为500rmp，配成聚乙二醇800体积分数为1％的PEDOT:PSS/PEG800的混合溶液。
2.将玻璃片分别用去离子水、丙酮、异丙醇清洗，将混合溶液滴涂在清洗过的玻璃片上，放入60℃的烘箱中2h，烘干成膜。
3.冷却后，将膜放在水中浸泡并搅拌4h，搅拌速度为200rmp。
4.将膜从水中取出后，将其在120℃加热台上0.5h烘干，得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，厚度7μm。
5.对高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜进行电导率、西贝克系数的测试，电导率可达到441S cm-1，西贝克系数可达到25μV K-1，功率因子可达到29μW m-1K-2。

Claims (4)

1.一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜的制备方法，其步骤如下：
1)将有机掺杂剂加入到PEDOT:PSS水溶液中，搅拌下配成均匀混合溶液；有机掺杂剂为乙二醇、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800、聚乙二醇1000、N,N-二甲基甲酰胺、山梨醇、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮或甘油中的一种或多种；在PEDOT:PSS水溶液中，有机掺杂剂的体积分数为1％～50％；
2)将步骤1)得到的混合溶液滴涂至清洗后的玻璃片上，烘干成膜；烘干温度为30～200℃，烘干时间为1～20h；
3)将步骤2)得到的膜冷却后放在水中浸泡并搅拌，PEDOT:PSS厚膜在水中浸泡并搅拌时间为1～20h，搅拌速度为100～1000rmp；
4)将膜从水中取出后，烘干即得到高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，烘干温度为30～200℃，烘干时间为0.5～20h，膜的厚度范围为2～20μm。
2.如权利要求1所述的一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中的搅拌时间为1～20h，搅拌速度为100～1000rmp。
3.一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜，其特征在于：是由权利要求1～2任何一项所述的方法制备得到。
4.权利要求3所述的一种高电导率PEDOT:PSS自支撑厚膜在柔性电子或热电材料领域中的应用。
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