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《浙江大学》 2007年
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有机无机复合抗静电薄膜合成、结构表征及应用特性研究

吴春春  
【摘要】: 在科技日新月异的今天,各种电子消费品在生活中所占比重越来越大,电子污染尤其是危害最大也最隐蔽的电磁辐射几乎无处不在,不仅会诱发人体癌细胞增殖,还会导致心血管系统疾病。电磁辐射的产生原因很多,静电场是其中较常见的原因之一,因此有众多科研人员致力于抗静电材料的开发。涂镀于制品表面的抗静电薄膜是赋予制品抗静电性能的有效方法,采用纳米技术改性的复合抗静电薄膜也成为当前的研究热点。 国外日本、韩国的大公司如日立、东芝、三星等从上世纪80年代开始显示器用抗静电薄膜的研究,制备出商用抗静电溶胶并垄断相关知识产权;国内由于导电材料、成膜材料等核心性关键材料的制备技术未能实现突破,应用的抗静电溶胶几乎全部依赖进口。本课题分别采用水热法、溶胶-凝胶法制备导电材料、抗静电溶胶及复合薄膜,进行了相关的基础理论及应用技术研究;开发出的抗静电溶胶和薄膜已在多家企业产业化应用,打破了国外技术封锁,实现替代进口;相关技术突破还可在电子、印刷、石化等多行业推广。本文的主要工作包括以下几个方面: (一)纳米导电材料的制备与性能研究 采用水热法,以锡、锑的无机盐SnCl_4·5H_2O、SbCl_3为原料,实现了粒度均匀、导电性能优良的Sb掺杂二氧化锡纳米粉(ATO)的可控制备,揭示了Sb掺杂量、热处理工艺过程对ATO纳米粉体粒度及导电性能的影响规律。 研究发现,ATO粉体粒度随Sb掺杂量的增加(2%到40%)而逐渐减小(由几十am降低为几nm);粉体的电阻率随Sb掺杂量的增加先降低后升高,并在掺杂量为11%时达到最低值0.012Ω·cm;粉体电阻随热处理温度的升高而不断降低,并在600℃达到最低值后趋于稳定。晶粒生长分为三个阶段:低温阶段(300~400℃)、中温阶段(400~600℃)、高温阶段(600℃以上)。 (二)导电薄膜的醇解法制备及性能研究 采用醇解法,以锡的无机盐(无水SnCl_4)为前驱体,制备出掺杂Sb的SnO_2溶胶以及ATO薄膜,探讨了该导电溶胶的水解-聚合机理,系统研究了Sb掺杂对导电薄膜结构及导电性能的影响。 研究发现,以无水SnCl_4为前驱体、醇解法制备的SnO_2溶胶,在温度小于200℃时前驱体的水解产物之间不发生聚合反应而主要以单体形式存在,当温度大于200℃时聚合反应开始并形成Sn-O-Sn键,直到500℃时SnO_2晶体形成。常温20℃下,该SnO_2溶胶具有很高的稳定性,胶凝时间大于110天,有利于工业化生产和应用。Sb的掺杂对ATO薄膜中SnO_2晶粒的生长有阻碍作用。随Sb的掺杂的增加,ATO薄膜中载流子浓度和迁移率均呈现先增大后减小的变化规律,在10a.t%Sb掺杂时载流子浓度达到最大值7.2×10~(19)/cm~3,在6a.t%Sb掺杂时载流子迁移率达到最大值2.55cm~2/V·S;随Sb的掺杂的增加,ATO薄膜的电阻率先减小后增大,在8%掺杂量时达到最低值0.048Ω·cm。 (三)成膜材料SiO_2溶胶的制备及特性研究 以硅酸甲酯为原料制备SiO_2溶胶,揭示了低浓度体系下反应参数的动力学影响规律并建立了相应的理论模型。总结出成膜工艺参数和溶胶物性对薄膜硬度控制的基本规律。 研究发现,前驱物浓度c、加水量r、陈化温度T等反应参数对低浓度体系下SiO_2胶凝时间t_g的动力学过程的影响规律符合以下理论模型t_g=1662 c~(-0.2525),t_g=9247,r~(-0.862)和ln t_g=-28.74+95.67/RT;所得薄膜在玻璃上硬度可达7H~9H(铅笔硬度)。 (四)复合抗静电溶胶、薄膜的制备及应用研究 创新性地将有机物聚噻吩PEDT溶胶作为导电材料,与SiO_2溶胶复合制备出抗静电溶胶及薄膜,揭示了有机-无机复合的PEDT—SiO_2抗静电薄膜的导电机理,实现了复合薄膜的较高光学透过率。研究发现,随PEDT含量的增加,薄膜导电性能呈三阶段变化,与导电复合高聚物的变化规律相似,复合薄膜的透过率(550nm波长下)呈线性趋势下降。较长陈化时间的SiO_2溶胶制备的复合薄膜具有更高的“逾渗阈值”。 本课题的研究成果已在宁波际荣电子股份有限公司实现规模生产,产品在上海永新彩色显像管有限公司和咸阳彩虹电子股份有限公司使用后,各性能均以达到国外同类产品水平。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB43

【参考文献】
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