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纳米纤维素/聚酰亚胺复合材料的制备及其在柔性电子中的应用

陈琳琳  
【摘要】:聚酰亚胺(PI)是众所周知的高性能聚合物材料,被认为是柔性电子器件基底最合适的候选材料。由于传统的PI薄膜往往呈黄色或棕黄色,严重影响柔性电子器件对透明性的要求。为此,常采用引入-CF_3等含氟基团的方法来提高透明度,获得无色聚酰亚胺(CPI),并结合引入羟基等基团从而弥补现有CPI膜不易分解的缺陷,解决现有柔性基底不易分解或热稳定性不佳的问题,为柔性绿色电子基底的研究开辟了新的途径。更进一步地,选用耐热型的纳米微晶纤维素(CNC)对CPI进行增强改性,可制备出一种具有改善性能的CNC/CPI复合膜基底,该基底具有平衡的高机械和热稳定性以及光学性能,再加上出色的OLED性能,其可能为制造高质量和低成本的柔性OLED带来新的机会。选用棉纤维为原料,采用TEMPO氧化法对比草酸水解法分别制备了两种不同类型的纳米纤维素,根据纤维形态和尺寸的不同,分别记为纳米微晶纤维素(Nanocrystalline cellulose,CNC)和纳米微细化纤维素(Microfibrillated cellulose,CNF)。其中,TEMPO氧化制备的CNF主要呈纤丝状,纤维长度较长,交织成网状结构,而草酸水解法制备出的CNC呈椭圆棒状结构,长度较短。同时,CNF膜更透明(透光率可达到92%),力学性能也略高于CNC,但热性能明显不佳;而CNC膜的热稳定性非常突出,其热分解温度比CNF膜高近90℃,可用作耐热型材料,并且由于其尺寸更小,比表面积更大,透光率和力学性能也能满足使用的要求,可以考虑将其作为一种良好的填料用在后续的应用中以提升复合材料的性能。同时,针对当前耐热型柔性电子基板难以绿色分解或热稳定性差的问题,经过分子结构设计,选用BAHPFP作为二胺单体,6FDA作为二酐单体,合成了一种带有羟基的新型CPI作为柔性电子的基底。该基底具有优异的热性能和机械性能,并保持了出色的光学性能。其中,热分解温度达到430℃,最高工作温度达到300℃,拉伸强度和弹性模量分别为103MPa和2.49GPa。同时,基底在600nm处具有91%的透光率。且基底具有良好的表面平整性,其粗糙度仅为0.38nm,满足柔性电子基底粗糙度小于5nm的要求。在此基底上制备的柔性线路印刷板(FPC)在绿色溶剂乙醇中表现出了出色的可分解性,并且具备优异的耐弯折性能和良好的导电性。更进一步地,针对传统棕色PI透明化为无色CPI后,热性能和机械性能损失的问题,在CPI基质中引入前述高耐热型CNC作为增强填料,制备CNC/CPI复合膜基底。由于CNC的出色的机械和热性能以及它们与CPI基质的强界面相互作用,所得基底材料获得显著提升的机械性能和热性能,同时保持良好的光学透明性。相比于纯CPI,当CNC的添加量为4%时,复合膜的热分解温度提高了13℃,弹性模量和抗张强度分别提高了49%、24%,内外耐折性能均得到明显增强。且复合膜表面平整,粗糙度为0.74nm,透光率为86%@600nm,复合膜基底最高操作温度320℃。并且,以4%CNC/CPI复合膜为基底制作的OLED@CNC/CPI器件,相较于OLED@glass,该器件不仅能在弯曲的状态下稳定发光,具有更好的柔韧性,而且具有更高的电流效率,在20,000cd/m~2时可达72.7cd/A,比玻璃基底的高41%。


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