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导电聚(3,4-乙烯二氧噻吩)复合物的合成及基于有机表面的图案化

梁杰  
【摘要】: 聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)因其特有的高电导率,高稳定性和掺杂态的高透明性等优点,在抗静电涂层、导电薄膜、电致发光器材、有机电容器、电致变色器材、光伏电池、有机发光二极管和有机传感器等诸多方面都有广泛的应用前景。但本征PEDOT由于不溶于任何溶剂,也不能熔融,因而不能对其进行有效的加工,这一缺陷严重影响了它的应用。PEDOT/PSS体系虽能分散在水中,并能用旋涂、浸涂、印刷等多种方法涂覆于金属、半导体等材料表面,但由于其固有的强酸性以及不耐水等因素,会对基体造成污染而降低了性能,并且与材料表面的粘接性也存在问题。本课题提出探索新的聚合方法及新聚合体系来改善PEDOT加工性的问题。主要工作如下: 1、以乙腈-水混合溶液为溶剂,三氯化铁为氧化剂,用原位氧化聚合法制备聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚丙烯柔性透明复合导电薄膜。聚合过程分为两步进行:(1)通过表面受限光催化氧化法(CPO)在聚合物基底表面引入-SO4-基团;(2)原位沉积制备PEDOT复合导电薄膜。以双轴拉伸聚丙烯薄膜为模型基底,通过控制反应条件得到了厚度约为20nm、对可见光的透过率超过90%、电导率超过300S/cm的高透明性、高导电性复合PEDOT薄膜。制得的PEDOT复合薄膜具有纳米微纤的形貌,并且通过控制反应条件,如混合溶剂中的含水量、反应物浓度、FeCl3溶液的放置时间,可以调节形貌。实验结果证实PEDOT的聚合反应动力学在形貌的控制方面起主导作用。XPS结果说明通过CPO处理引入的-SO4-能引导PEDOT在BOPP表面的沉积,在BOPP表面上-SO4-是沉积的PEDOT的主要掺杂剂;3M胶带的拉撕结果证明CPO处理引入的-SO4-也能提高PEDOT与基底之间的粘接性。在进行CPO处理时使用掩模可以在表面上形成亲疏水区域组成的图案,沉积PEDOT后再用3M胶带撕扯可以制得由PEDOT形成的微图案。 2、分别在2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸(BP-4)的水-乙酸溶液、H2SO4的水-乙酸溶液和纯水溶液中通过原位聚合合成PEDOT-MWCNT复合物。SEM结果说明在BP-4和H2SO4的水-乙酸溶液中能够得到复合效果较好的PEDOT-MWCNT复合物。所得的PEDOT-MWCNT复合物的表面形貌随反应物中EDOT和MWCNT的用量之比而发生变化。在BP-4的水-乙酸溶液中,当EDOT用量大于MWCNT用量的1/2时可生成表面由PEDOT微纤堆积而成的纳米管复合物;而当EDOT的量小于MWCNT的1/4时则生成PEDOT包覆均匀的PEDOT-MWCNT复合物。电子衍射图说明具有纳米微纤形貌的纳米管复合物是通过PEDOT与MWCNT之间的超分子作用堆积而成,是无定型态;PEDOT均匀包覆的纳米管复合物是由PEDOT在MWCNT表面上生长而成,具有一定结晶结构。而这种表面形貌的变化与聚合反应的溶剂和反应温度也有关。实验结果证明PEDOT的聚合动力学对表面形貌的变化起控制作用。MWCNT在复合体系中对PEDOT纳米微纤的堆积和在MWCNT表面的生长起模板作用。FTIR、UV-Vis、XRD的结果都说明在产物中存在PEDOT。XPS结果显示PEDOT-MWCNT的复合物中还残存有少量溶剂分子,如乙酸和BP-4,它们主要是作为PEDOT的掺杂剂。PEDOT-MWCNT的电导率比纯的PEDOT大得多,而具有PEDOT纳米微纤表面形貌的纳米管复合物则具有更高的电导率,这应与PEDOT纳米微纤在MWCNT表面上取向性的堆积方式有关。经与PEDOT复合后,MWCNT在水中的分散性得到一定程度的改善,这为其在电子元器件等方面的应用提供了可能。 3、用P(SS-BA)共聚物为掺杂剂合成了水溶性PEDOT/P(SS-BA)复合物。IR和UV-Vis光谱都说明与PEDOT形成的复合物中有BA组分存在。从电导率测试结果可见,向PSS中加入BA共聚组分是提高与PEDOT复合物电导率的一个有效的方法。对于原料中质量分率为40%的BA制成的复合物,其电导率比PEDOT/PSS高40倍。SEM显示含有BA组分的PEDOT/P(SS-BA)复合物成膜均匀,且随BA含量的增加,成膜时的颗粒增大,这是电导率提高的原因之一。XPS的测试结果说明含有BA组分的PEDOT/P(SS-BA)复合物中含有更多的PEDOT,涂膜时将会形成更多富集PEDOT的区域,这是使电导率提高的另一原因。旋涂在ITO上的复合物膜的AFM测试结果表明PEDOT/P(SS-BA)有较好的成膜性,可以形成较为平整的膜,平均粗糙度为6.71nm。


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