PEDOT复合导电浆料的制备及性能研究

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  摘要:3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)和对苯乙烯磺酸钠(SSNa)在过硫酸钾(KPS)—硫酸铁[Fe2(SO4)3·xH2O]作用下,通过化学氧化法合成了聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚对苯乙烯磺酸钠(PEDOT/PSS)导电聚合物浆料,并通过2步法——乳液聚合法和化学氧化法合成了聚(对苯乙烯磺酸钠-丙烯酸丁酯-苯乙烯)P(SSNa-BA-St)三元共聚乳液和PEDOT/ P(SSNa-BA-St)复合导电浆料,探讨了SSNa用量、EDOT用量和球磨机分散对复合导电浆料性能的影响,同时对2种导电膜进行了柔韧性测试。结果表明,随着SSNa用量的增大,复合导电膜的表面电阻先增大后减小;与之相反随着EDOT用量的增大,该膜的表面电阻先减小后增大;球磨分散有助于提高复合导电膜的透光率,但会导致膜的表面电阻增大;与PEDOT/PSS膜相比,PEDOT/ P(SSNa-BA-St)膜的柔韧性较好。
  关键词:PEDOT;导电浆料;表面电阻;透光率
  中图分类号:TM24 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2014)11-0045-05
  一般有机高分子通常属于绝缘体的范畴,但自从1977年美国高分子化学家黑格尔(Heeger)与麦克迪尔米德(Mac Diarmid)和日本科学家白川英树等研究发现经I2掺杂后的聚乙炔呈现明显的金属特征和独特的光、电、磁及热电动势性能以来,这一传统的观念被打破。从此人们开始对导电聚合物进行研究,相继开发了聚吡咯、聚对苯撑、聚噻吩、聚苯胺等导电高分子以及它们的衍生物,还有很多新型的导电聚合物也不断的被合成出来。其中噻吩类聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)由于具有导电性好,薄膜透光率高和化学性能稳定等优良特点[1],在抗静电涂层、光电二极管、传感器等方面表现出广阔的应用前景。但因自身不溶不熔,加工困难,限制了其在各个领域的应用。后来人们通过引入水溶性的聚合物如聚对苯乙烯磺酸钠(PSS)解决了其溶解性问题,制备了稳定性良好的PEDOT/PSS水溶性分散液[2]。但PEDOT/PSS仍存在导电率不高和在空气中易吸潮等问题,并且吸潮后产生的酸性环境还会对使用它的器件如电容器,发光二极管和电极等造成一定的腐蚀和损害[3]。为了解决这些问题,本文通过引入丙烯酸丁酯(BA)和苯乙烯(St)这2种油溶性单体,通过乳液聚合法合成了聚(对苯乙烯磺酸钠-丙烯酸丁酯-苯乙烯)[P(SSNa-BA-St)]三元共聚乳液,解决PEDOT/PSS膜容易吸潮的问题,探讨单体的用量、球磨机分散对PEDOT/ P(SSNa-BA-St)复合导电浆料性能的影响,同时对PEDOT/PSS膜和PEDOT/ P(SSNa-BA-St)膜进行了弯曲试验,比较2者的柔韧性,为PEDOT复合物在防静电涂层、有机电致发光器件、场效应晶体管、电极材料和光伏电池等领域更好地应用提供理论指导。
  1 实验部分
  1.1 主要原料
  对苯乙烯磺酸钠(SSNa),聚对苯乙烯磺酸钠(PSS),3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT),丙烯酸丁酯(BA),过硫酸钾(KPS)和硫酸铁[Fe2(SO4)3·xH2O]均为分析纯;苯乙烯(St)和丙烯酸(AA)为化学纯;超纯水为实验室自制。
  1.2 P(SSNa-BA-St)三元共聚乳液的制备
  先将一定量的SSNa溶于水中并置于500 mL的四口烧瓶中,然后加入一定量的丙烯酸丁酯(BA)和苯乙
  烯(St)在70 ℃的水浴中机械搅拌,通入氮气约15 min后,加入少量的引发剂(KPS)溶液,约10 min,加入丙烯酸(AA)和水,在氮气环境下恒温反应6 h,冷却出料。
  1.3 PEDOT/ P(SSNa-BA-St)复合导电浆料的合成
  取30 g以上制备的P(SSNa-BA-St)乳液和100 g超纯水置于500 mL四颈烧瓶中磁力搅拌3 min,然后将一定量EDOT单体加入烧瓶中,超声分散10 min后,30 ℃水浴下充以氮气继续搅拌,将引发剂KPS和硫酸铁水溶液分别加入到反应瓶,反应7 h后,补加少量的KPS溶液继续反应,总反应时间为24 h,最后将得到的浆料用200目的纱布过滤即得复合导电浆料。
  1.4 PEDOT/PSS导电浆料的制备
  先将少量的PSS用一定量的超纯水溶解后,加入EDOT单体与其混合,超声分散10 min,30 ℃水浴下充以氮气进行磁力搅拌,将引发剂KPS和硫酸铁水溶液分别加入到反应瓶,反应7 h后,补加少量的KPS溶液继续反应,总反应时间为24 h,最后将得到的浆料用200目的纱布过滤即得导电浆料。
  1.5 PEDOT/ P(SSNa-BA-St)膜和PEDOT/P
  SS膜的制备
  取相同量的浆料用AFA-II型自动涂膜器(上海普申化工机械有限公司)涂于同一尺寸PET基材上,然后在90 ℃的烘箱中烘干。
  1.6 测试表征
  红外光谱由Spectrum one型傅立叶变换红外光谱仪(美国Perkin-Elmer)测定;表面电阻采用JH1500B型重锤式表面电阻测定仪(东莞市景豪防静电科技有限公司)测定;透光率采用Lambda型紫外可见分光光度计(美国PE)测定;球磨分散使用的仪器为XQM-2L型立式行星球磨机(长沙天创粉末技术有限公司);膜的柔韧性测试是通过将膜弯曲180°不同次数后其表面电阻的变化来表征。
  2 结果与讨论
  2.1 EDOT,PSS和PEDOT/PSS结构表征
  EDOT,PEDOT和PEDOT/PSS 的化学结构式如图1所示,EDOT、PSS和PEDOT/PSS对应的红外光谱如图2 a、b、c所示。
  由图2 c可知,3113cm-1为噻吩环C=C-H中C-H的伸缩振动吸收峰,2 981 cm-1,2 923 cm-1,2 872 cm-1为二氧次乙基环中饱和C-H的伸缩振动吸收峰;759 cm-1,891 cm-1处是噻吩环上的C=C-H中C-H弯曲振动吸收峰,而聚合后该峰消失(图a),说明PEDOT是通过α-α′形式发生聚合的[4];1 485 cm-1,1 366 cm-1处的吸收峰为噻吩环上C-C和C=C的吸收峰[5];934 cm-1处的吸收峰对应着噻吩环中C-S键的弯曲振动吸收峰[6];1 185 cm-1,1 135 cm-1和1056 cm-1处的吸收峰为EDOT中C-O-C的振动吸收峰,由于掺杂剂的干扰,PSS掺杂聚合后这几处吸收峰都发生了相应的变化(如图c中1 183 cm-1,1 128 cm-1,1 060 cm-1处可见)[7]。图b中1 052 cm-1处的吸收峰为磺酸基中S=O振动吸收峰,掺杂聚合后该峰向低波数方向移动,并且峰的强度减弱(图a中的1 038 cm-1)。通过红外分析结果可知,EDOT 已经聚合为PEDOT,并且PSS掺杂到了PEDOT链段上。   2.2 SSNa/(BA+St)不同质量比对导电液性能的影响
  在总固含量不变的条件下,保持BA/St质量比不变,探讨了SSNa/(BA+St)不同质量比对PEDOT/ P(SSNa-BA-St)膜表面电阻的影响,结果如表1所示。
  表1可知,PEB膜的表面电阻比PEDOT/PSS膜的表面电阻小2~3个数量级,说明BA和St的加入有助于提高导电液的导电性能。同时从表1可以看出,随着SSNa/(BA+St)质量比的减小,膜的表面电阻呈先增大后减小的趋势变化,即SSNa量最大和最小时膜的表面电阻最小,导电性最好。其原因为:(1)聚合物PSS在反应体系中作为电荷平衡离子,模板剂和分散剂,它可以提高PEDOT的聚合度和在水中的分散稳定性,当PSS的量较多时,PEDOT的聚合度会很高,聚合度越高,PEDOT的导电性越好[8];(2)PEDOT/PSS在成膜过程中会出现微相分离,导致PEDOT富集区和PSS富集区,而PSS是绝缘物质,PEDOT是导电物质,当PSS的量越少时,导电的PEDOT在复合物中的比例越高,所以导电性越好[9]。
  2.3 EDOT用量对导电液性能的影响
  保持SSNa/(BA+St)比例不变的条件下,探讨EDOT的用量对PEDOT/ P(SSNa-BA-St)膜性能的影响,结果如表2所示。
  由表2可知,随着EDOT量的增加,薄膜的表面电阻先减小后增大,当EDOT的量为2.0 g时,膜的表面电阻达到最小值103Ω,导电性最好,继续增大EDOT的量,膜的表面电阻反而增大,不利于提高膜的导电性。因为EDOT的量过少时,起导电作用的PEDOT之间无法形成很好的网络通道,电子传输受到阻碍,导致导电性变差;当EDOT的量过多时,在体系中充当模板剂和电荷平衡剂的PSS它的量不足以对所有的PEDOT进行掺杂,未掺杂的PEDOT会以本征态的形式沉积下来,且本征态PEDOT导电性很差[10],导致导电浆料中起导电作用的PEDOT的含量减小,导电性变差;同时EDOT的量过多时形成的PEDOT/ P(SSNa-BA-St)链刚性增加,所成的膜很脆,容易出现开裂,也会导致膜的导电性下降。
  2.4 复合膜的柔韧性
  柔韧性是指物体在受力变形后,不易折断的性质。当膜的柔韧性很差时,将导电膜来回弯曲后,膜会发生断裂,导致膜不连续,电子跃迁的部分网络通道被阻断,使膜的表面电阻增大;当膜的柔韧性很好时,进行弯曲后,膜不会被破坏,其表面电阻不会受到影响或影响很小。
  文中通过将PET为基材的导电膜弯曲180°不同次数,测试弯曲前后膜表面电阻R的变化来判断膜的柔韧性,当R弯曲/R未弯曲的值越小时,膜的柔韧性越好,反之,膜的柔韧性越差。实验结果如表3所示。
  由表3可知,当弯曲次数在40次以下时,PEDOT/PSS膜和PEB膜的电阻弯曲前后都没有变化,说明2者弯曲后都没有被破坏;当弯曲次数达到70次时,PEDOT/PSS膜的R3/R0值增大到10,而PEB膜的R3/R0值为1,表明PEDOT/PSS膜的柔韧性要比PEB膜差,这说明BA和St的加入有助于提高PEDOT复合膜的柔韧性;当弯曲次数达到100次时,PEB-1膜和PEB-2膜的R4/ R0值增大到了10,而PEB-3~PEB-5膜的R4/ R0值仍为1,表明后者的柔韧性要比前者好,说明增加BA和St的量有助于提高PEB膜的柔韧性。
  2.5 球磨分散对膜透光率的影响
  由图3和图4可知,经球磨分散后的导电液,其膜的透光率比未分散时有所提高,且随着球磨分散时间的增加膜的透光率逐渐增大,这可能是由于球磨分散有助于减小导电液中粒子的尺寸,使其分散更均匀,从而所成的膜更光滑更平整。
  2.6 球磨分散时间对膜表面电阻的影响
  选取PEB-2膜来探讨球磨分散时间对膜表面电阻的影响,结果见表4。
  由表4可知,经球磨分散后,膜的表面电阻与未分散前相比基本上都增大了1~2个数量级,这可能是球磨分散破坏了部分PEDOT链的有序结构,导电性变差。
  3 结论
  1)使用化学氧化法合成了PEDOT/PSS导电浆料和PEDOT/ P(SSNa-BA-St)复合导电浆料,导电浆料中加入BA和St单体后,减小了膜的表面电阻,增加了膜的柔韧性;
  2)当EDOT量增大,膜的表面电阻先减小后增大;在SSNa/(BA+St)质量比一定情况下,将EDOT的量从0.5 g增大到2.5 g过程中,EDOT的量为2.0 g时,膜的表面电阻最小,导电性最好;
  3)随着SSNa/(BA+St)比例的减小,膜的表面电阻呈先增大后减小的趋势变化,即SSNa量最大和最小时膜的表面电阻最小,导电性最好;球磨分散有助于提高膜的透光率,但是会破坏部分PEDOT链的有序结构,使导电性变差。
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