聚合物/银纳米线复合材料的制备及其光、电性能研究

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智能触摸交互终端、可穿戴电子设备、柔性太阳能电池等行业的快速发展,亟需开发新型高透光率、低电阻的的柔性透明导电薄膜。本文首先采用改进的多元醇法合成银纳米线,探索了银纳米线的高浓度、高均匀性快速制备方法,并研究了形貌控制剂、前驱体诱发剂、反应温度、滴加速度等因素对银纳米线制备的影响。研究发现:在银离子浓度为0.049M,PVP与AgNO3的摩尔比为1.4:1的体系中,得到银纳米线的直径为70-110nm,长度为20-40umm,产率在80%以上,并具有良好的结晶度,30μM FeCl3浓度下制备的银纳米材料具有最高的长径比470。但是,在相同的摩尔浓度,添加Cu2+、Na+、Pt4+等控制剂不利于银纳米线的合成,得到了大量不均匀的纳米线或纳米棒。在相同的PVP/AgNO3摩尔比条件下(1.4:1),PVP的分子量越大,得到的银纳米线长径比越高,且银纳米线的最佳制备温度为140℃,不随控制剂种类以及浓度的变化而改变。以合适的添加方式加入硝酸银和形貌控制剂,才能得到高均匀性、高长径比的银纳米线。将直径为20、35、70和100 nm的银纳米线分别沉积在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基材上制备了银纳米线导电薄膜,研究了银纳米线沉积密度和纳米线直径对导电薄膜透光率和方阻的影响规律。研究发现:通过类推Yodh教授团队的研究结果,可以利用高长径比的银纳米线可以产生更多的迁移阻力,均匀的覆盖在基底表面,避免“咖啡环效应”的出现;随着纳米线沉积密度的提高,银纳米线导电薄膜的透光率和方阻均呈下降趋势,但其品质系数(F.O.M.)增加,最高可达410。以聚乙二醇(PVA)为基底制备银纳米线柔性透明导电薄膜,以解决银纳米线附着在PET表面结合力差的问题。研究了薄膜的表面结合力与光学、电学性能的稳定性。研究发现,银纳米线直径影响导电膜透光率和方阻,随着沉积密度的提高,不同直径银纳米线导电膜的透光率和方阻均呈下降趋势,在方阻值为1.3Ω/□时F.O.M值最高,可以达到760,超过了ITO的F.O.M值350,超过了PET/银纳米线复合薄膜的F.O.M值410。PVA/银纳米线复合薄膜,相比PET/银纳米线复合薄膜,表面附着力较高,在经过10次胶带试验后,复合薄膜的方阻仍然保持在20Ω/□左右。使用光聚合法制备丙烯酸酯/银纳米线复合薄膜并采用DSC法研究了体系的光聚合动力学。丙烯酸酯/银纳米线复合薄膜体系光聚合速度高于传统的自由聚合,单体转化率在不到30s时间增长至极大值。聚合反应速度和单体转化率随着UV光强的增高而明显增加,聚合反应体系的光强阈值约为4mW/cm2,超过光强阈值后聚合反应速度和单体转化率均呈现平稳状态。体系的聚合反应速度和单体转化率随着平均官能度的增加呈现下降趋势。当丙烯酸酯/银纳米线复合薄膜的透光率为80%时,银纳米线直径为35和70 nm的体系具有较低方阻,约132Ω/□,在方阻值为2.3 Ω/□时F.O.M值最高,可以达到451,超过了ITO的F.O.M值350。通过以上内容的研究,为可控制备高均匀性银纳米线提供一种优化工艺;表征不同条件下银纳米线的涂布网络的导电性和光学性能,为制备高性能银纳米线/聚合物复合材料提供基础;解决银纳米线与聚合物复合过程中的分散不均匀、界面结合差、产生气泡影响表面粗糙度等问题。开发研制新型的聚合物/银纳米线复合材料,将丰富聚合物基复合材料在光学、电学方面的应用前景。
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