CN113205904B - 基于植物叶脉的复合透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及透明导电薄膜领域，尤其是基于植物叶脉的复合透明导电薄膜及其制备方法，是通过沉积法将植物叶脉与银纳米线‑MXene复合形成的透明导电薄膜。包括如下步骤：(1)、使用氢氧化钠水溶液刻蚀植物叶子后去除叶肉细胞，去离子水洗涤后烘干得到植物叶脉基底；(2)、将植物叶脉基底压平得到平整的植物叶脉基底；(3)、在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干，获得银纳米线导电层，将获得银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干(4)、将步骤3得到的银纳米线‑MXene导电网络叶脉透明导电薄膜压平。具有高导电率、高透光率、高粘附性、高耐久、高柔性和高机械稳定性等特点，在电子设备中有着广泛的应用前景。

Description

基于植物叶脉的复合透明导电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及透明导电薄膜领域，尤其是基于植物叶脉的复合透明导电薄膜及其制备方法。
背景技术
透明导电薄膜在触摸屏、有机发光二极管、液晶显示器、太阳能电池、传感器、可打印电子产品等许多电子设备中有着广泛的应用。透明导电薄膜的灵活性和稳定性在电子器件的发展中起着越来越重要的作用。绝大多数的薄膜光电器件大多使用溅射金属氧化物薄膜作为其透明电极材料。就目前而言，使用最为广泛的是基于氧化铟锡(IT0)的透明导电薄膜，由于氧化铟锡(ITO)薄膜具有良好的导电性和透明性，在过去的半个世纪中被广泛应用于商业用途。然而，氧化铟的脆性、高温沉积工艺以及价格昂贵多变等缺点严重限制了柔性TCEs的发展。因此，溅射金属氧化物的透明电极不能适应未来电子产品便携化、柔性化和轻薄化的发展趋势，寻找其替代材料迫在眉睫。
在过去的十年中，各种材料包括导电聚合物、碳纳米管(CNTs)、石墨烯、金属纳米线和MXene被探索作为氧化铟的替代品。在这些候选材料中，导电聚合物具有较弱的力学性能、较低的电导率和较低的透过率。碳纳米管之间的高接触电阻限制了碳纳米管的导电性。石墨烯的导电性低，而且合成时需要极高的温度。而其中，银纳米线因其高透明度、优良的导电性、高机械强度，优良的柔韧性和可用于大规模生产而备受关注。Ti3C2Tx是目前研究最广泛的MXene材料，它具有金属导电性、亲水性、高机械强度和电磁屏蔽性能。但银纳米线和MXene在应用于光电器件时，仍有很多问题需要解决。银纳米线透明导电薄膜的制备方法多采用旋涂、刮涂或喷涂等方法，制备的银纳米线透明导电薄膜中，银纳米线只是简单堆叠，银纳米线间的接触电阻较大，采用一些工艺来处理以降低接触电阻。目前常用的较为有效的提高导电性的方式有高温退火、激光焊接、热压等方式,但高温处理不适用于不耐高温的聚合物柔性基底；常温采用的机械压力加载的焊接方式会造成银纳米线表面造成破坏，大大降低纳米线薄膜的导电性。银纳米线在基底上杂乱无章的分布从而导致银纳米线薄膜面临着传导方向有限的缺点。此外，银纳米线与基底之间的结合力很弱，在弯折时极易与基底发生剥脱，在实际应用当中对于器件的耐久性极为不利。
例如发明申请CN102270524中利用机械加压将银纳米线与聚合物复合成膜，此方法能够在很大程度上解决表面粗糙度的问题，但忽略略了机械压力对纳米线表面的损伤，极易造成导电薄膜性能不稳定。CN 102087886 A在基底表面先涂覆一层粘附剂(如PVA),再涂覆银纳米线,经过干燥之后得到的复合涂层。这种方法虽然使涂层的附着性大幅度提高，却降低了涂层的导电性。
CN 106601339 A将银纳米线焊接成为具有高导电性的纳米线网络并嵌入海酸钠薄层当中。之后，采用氯化钙溶液处理得到复合薄膜。这种方法虽然可以得到具有较强粘附性和低粗糙度的导电薄膜，但银纳米线无序的堆积在一起，无法形成有序的导电网络。
CN 104882223 A在基底上涂敷银纳米线后在银纳米导电层上继续涂敷氧化石墨烯，制备氧化石墨烯/银纳米线复合透明导电薄膜。这种方法需经高温处理，从而对基底造成一定的破坏从而降低透明导电薄膜的强度。
CN 111341497 A中将银纳米线分散液涂布在洗涤处理后衬底上，干燥后获得厚度为50～200nm的银纳米线透明导电薄膜；再均匀涂覆Mxene分散液，干燥后获得厚度为51～500nm的银纳米线/MXene复合透明导电薄膜。这种方法虽然构建了导电网络但接触电阻较高且与基底的结合力较弱，在弯曲过程导电材料容易脱落。
因此，如何制备一种具有高导电率、高透光率、高粘附性、高耐久、高柔性和高机械稳定性等特点的透明导电薄膜是本发明解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，提供了基于植物叶脉的复合透明导电薄膜及其制备方法，具有高导电率、高透光率、高粘附性、高耐久、高柔性和高机械稳定性等特点，在电子设备中有着广泛的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，基于植物叶脉的复合透明导电薄膜，是通过沉积法将植物叶脉与银纳米线-MXene复合形成的透明导电薄膜。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜，所述银纳米线的直径为100-130nm，长度为40-60μm。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜，所述MXene的尺寸为1-5μm。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、使用氢氧化钠水溶液刻蚀植物叶子后去除叶肉细胞，去离子水洗涤后烘干得到植物叶脉基底；
步骤2、将步骤1所得的植物叶脉基底压平得到平整的植物叶脉基底；
步骤3、将步骤2得到的植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干，获得银纳米线导电层，将获得银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干；
步骤4、将步骤3得到的银纳米线-MXene导电网络叶脉透明导电薄膜压平，得到平整的银纳米线-MXene复合叶脉透明导电薄膜。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，所述步骤1中植物叶子为玉兰叶、桂花叶。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，在步骤3中，所述植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干温度为50-70℃，烘干时间为30-40min，所述银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干温度为50-70℃，烘干时间为30-40min，烘干后重复步骤3，得到多层银纳米线-MXene导电网络叶脉透明导电薄膜，重复次数为1-6次。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.1-0.2g/ml。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的温度为90-100℃，刻蚀时间为2-3h。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，在步骤1中，所述烘干温度为50-70℃，烘干时间为30-40min。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，在步骤3中，所述银纳米线乙醇溶液的浓度为1-5mg/ml，所述MXene溶液的浓度为1-5mg/ml。
本发明基于植物叶脉的复合透明导电薄膜及其制备方法的有益效果是，本发明中采用植物叶脉作为透明导电薄膜的基底。植物叶脉通过不断进化，以实现透明度、材料输送和机械稳定性之间的平衡。此外，由于银纳米线与基体的接触面积有限，且范德华力较弱，沉积在基体上的银纳米线具有较低的附着力。在叶脉表面存在着沟槽，叶脉表面沟槽的存在使得银纳米线和MXene更有利于附着在叶脉表面大大提高了透明导电薄膜的导电性。并且提高了银纳米线与MXene在叶脉基底的粘附性，从而在弯曲过程中导电层不易发生脱落。植物叶脉具有层次结构，包括叶柄、中脉、次脉和次脉。这些不同层次的植物叶脉形成了一个相互连接的网络结构。在叶脉网络结构构建的银纳米线-MXene导电层可以形成连续的导电网络，从而使银纳米线-MXene透明导电薄膜有多方向传导特性。
采用一维银纳米线和二维MXene构建三维导电网络。在一维银纳米线网络中加入二维MXene，是克服银纳米线透明导电薄膜缺陷的一种策略，可以制备高性能的透明导电薄膜。高导电性的银纳米线与Mxene的有效结合可以显著降低面电阻，因为二维纳米片搭接了银纳米线的导电网络。MXene纳米片可以均匀地穿插在银纳米线的导电网络之间，形成层间结构，从而在基本不影响透明度的前提下提高透明电极的电导率。
该制备方法工艺简单，通过沉积法制备银纳米线-MXene复合叶脉透明导电薄膜，此导电薄膜具有优良的导电性和优良的透明度，同时具有良好的耐久性和机械稳定性。能够满足未来电子器件柔性化、轻薄化的发展需求，在触摸屏、有机发光二极管、液晶显示器、太阳能电池、传感器、可打印电子产品等许多电子设备中有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2是制备透明导电薄膜所用的植物叶脉纤维表面的微观形貌；
图3是基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的表面微观形貌；
图4是基于植物叶脉的复合透明导电薄膜单根导电纤维表面的微观形貌；
图5是基于植物叶脉的复合透明导电薄膜单根导电纤维截面的微观形貌；
图6是基于植物叶脉的复合透明导电薄膜导电网络的微观形貌。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1
基于植物叶脉的复合透明导电薄膜，是通过沉积法将植物叶脉1与银纳米线2-MXene3复合形成的透明导电薄膜。
所述银纳米线的直径为100nm，长度为40μm。
所述MXene的尺寸为1μm。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、使用氢氧化钠水溶液刻蚀植物叶子后去除叶肉细胞，去离子水洗涤后烘干得到植物叶脉基底；
步骤2、将步骤1所得的植物叶脉基底使用玻璃片压平得到平整的植物叶脉基底；
步骤3、将步骤2得到的植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干，获得银纳米线导电层，将获得银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干；
步骤4、将步骤3得到的银纳米线-MXene导电网络叶脉透明导电薄膜用玻璃片压平，得到平整的银纳米线-MXene复合叶脉透明导电薄膜。
所述步骤1中植物叶子为玉兰叶。
在步骤3中，所述植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干温度为50℃，烘干时间为30min，所述银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干温度为50℃，烘干时间为30min。
在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.1g/ml。
在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的温度为90℃，刻蚀时间为2h。
在步骤1中，所述烘干温度为50℃，烘干时间为30min。
在步骤3中，所述银纳米线乙醇溶液的浓度为1mg/ml，所述MXene溶液的浓度为1mg/ml。
该银纳米线-MXene导电网络叶脉透明导电薄膜的方阻7Ω/sq，550nm透过率为79％，弯曲100次后电阻不变。
实施例2
本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述步骤1中植物叶子为桂花叶。
该透明导电薄膜的方阻为7.1Ω/sq，550nm透过率为78％，弯曲100次后电阻不变。
实施例3
本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述银纳米线的直径为120nm，长度为50μm。
所述MXene的尺寸为3μm。
在步骤3中，所述植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干温度为60℃，烘干时间为35min，所述银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干温度为60℃，烘干时间为35min。
在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.15g/ml。
在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的温度为95℃，，刻蚀时间为2.5h。
在步骤1中，所述烘干温度为60℃，烘干时间为35min。
在步骤3中，所述银纳米线乙醇溶液的浓度为3mg/ml，所述MXene溶液的浓度为3mg/ml。
该透明导电薄膜的方阻为4.9Ω/sq，550nm透过率为78.6％，弯曲100次后电阻不变。
实施例4
本实施例与实施例3相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述步骤1中植物叶子为桂花叶。
该透明导电薄膜的方阻为4.8Ω/sq，550nm透过率为78.4％，弯曲100次后电阻不变。
实施例5
本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述银纳米线的直径130nm，长度为60μm。
所述MXene的尺寸为5μm。
上述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，在步骤3中，所述植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干温度为70℃，烘干时间为40min，所述银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干温度为70℃，烘干时间为40min。
在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.2g/ml。
在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的温度为100℃，刻蚀时间为3h。
在步骤1中，所述烘干温度为70℃烘干时间为40min
在步骤3中，所述银纳米线乙醇溶液的浓度为5mg/ml，所述MXene溶液的浓度为5mg/ml。
该透明导电薄膜的方阻为3.4Ω/sq，550nm透过率为77.8％，弯曲100次后电阻不变。
实施例6
本实施例与实施例5相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述步骤1中植物叶子为桂花叶。
该透明导电薄膜的方阻为3.3Ω/sq，550nm透过率为77.7％，弯曲100次后电阻不变。
实施例7
本实施例与实施例1相同部分不再赘述，其不同之处在于，当步骤3结束后，重复步骤3，得到基于植物的多层银纳米线-MXene复合导电网络透明导电薄膜，重复次数为1次。
该透明导电薄膜的方阻为5.4Ω/sq，550nm透过率为78％，弯曲100次后电阻不变。
实施例8
本实施例与实施例7相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述步骤1中植物叶子为桂花叶。
该透明导电薄膜的方阻为5.3Ω/sq，550nm透过率为78％，弯曲100次后电阻不变。
实施例9
本实施例与实施例3相同部分不再赘述，其不同之处在于，当步骤3结束后，重复步骤3，得到基于植物的多层银纳米线-MXene复合导电网络透明导电薄膜，重复次数为3次。
该透明导电薄膜的方阻为1.6Ω/sq，550nm透过率为77.6％，弯曲100次后电阻不变。
实施例10
本实施例与实施例9相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述步骤1中植物叶子为桂花叶。
该透明导电薄膜的方阻为1.5Ω/sq，550nm透过率为77.4％，弯曲100次后电阻不变。
实施例11
本实施例与实施例5相同部分不再赘述，其不同之处在于，当步骤3结束后，重复步骤3，得到基于植物的多层银纳米线-MXene复合导电网络透明导电薄膜，重复次数为6次。
该透明导电薄膜的方阻为0.5Ω/sq，550nm透过率为74％，弯曲100次后电阻不变。
实施例12
本实施例与实施例11相同部分不再赘述，其不同之处在于，所述步骤1中植物叶子为桂花叶。
该透明导电薄膜的方阻为0.5Ω/sq，550nm透过率为73.8％，弯曲100次后电阻不变。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不局限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于植物叶脉的复合透明导电薄膜，其特征在于：是通过沉积法将植物叶脉与银纳米线-MXene复合形成的透明导电薄膜，所述银纳米线的直径为100-130 nm，长度为40-60 μm，所述MXene的尺寸为1-5 μm。
2.根据权利要求1所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1、使用氢氧化钠水溶液刻蚀植物叶子后去除叶肉细胞，去离子水洗涤后烘干得到植物叶脉基底；
步骤2、将步骤1所得的植物叶脉基底压平得到平整的植物叶脉基底；
步骤3、将步骤2得到的植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干，获得银纳米线导电层，将获得银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干；
步骤4、将步骤3得到的银纳米线-MXene导电网络叶脉透明导电薄膜压平，得到平整的银纳米线-MXene复合叶脉透明导电薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，所述步骤1中植物叶子为玉兰叶、桂花叶。
4.根据权利要求3所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，在步骤3中，所述植物叶脉基底在银纳米线乙醇溶液中浸泡后烘干温度为50-70 ℃，烘干时间为30-40 min，所述银纳米线导电层的叶脉在MXene溶液中浸泡后烘干温度为50-70 ℃，烘干时间为30-40 min，烘干后重复步骤3，得到多层银纳米线-MXene导电网络叶脉透明导电薄膜，重复次数为1-6次。
5.根据权利要求4所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.1-0.2 g/ml。
6.根据权利要求5所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，在步骤1中，所述氢氧化钠水溶液的温度为90-100 ℃，刻蚀时间为2-3 h。
7.根据权利要求6所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，在步骤1中，所述烘干温度为50-70 ℃，烘干时间为30 -40 min。
8.根据权利要求7所述的基于植物叶脉的复合透明导电薄膜的制备方法，其特征是，在步骤3中，所述银纳米线乙醇溶液的浓度为1-5 mg/ml，所述MXene溶液的浓度为1-5 mg/ml。
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