复合薄膜及其制备方法和用途
阅读：510发布：2024-01-16
专利汇可以提供复合薄膜及其制备方法和用途专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种复合 薄膜 及其制备方法和用途。采用熔融拉伸法制备取向的 聚合物 薄膜，然后采用该聚合物薄膜修饰电化学聚合的工作 电极 以形成修饰电极；将含 碳 纳米管 与导电聚合物 单体 的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环 伏安法 形成含 碳纳米管 和导电聚合物的 各向异性 的复合薄膜；在所述电荷转移复合物中，以克计的碳纳米管的 质量 与以摩尔计的导电聚合物单体的摩尔量之比为2～8g:0.01～0.5mol。本发明可以获得各向异性的复合薄膜。，下面是复合薄膜及其制备方法和用途专利的具体信息内容。
1.一种复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用熔融拉伸法制备取向的聚合物薄膜，然后采用该聚合物薄膜修饰电化学聚合的工作电极以形成修饰电极；
将含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜；
在所述电荷转移复合物中，以克计的碳纳米管的质量与以摩尔计的导电聚合物单体的摩尔量之比为2～8g:0.01～0.5mol；
所述电化学聚合在电解质溶液中进行；在所述电解质溶液中，碳纳米管的浓度为2～
8g/L，导电聚合物单体的浓度为0.01～0.5mol/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成所述聚合物薄膜的聚合物选自高密度聚乙烯HDPE、等规聚丙烯iPP和聚偏氟乙烯PVDF中的一种；所述导电聚合物单体选自烷基取代或未取代的吡咯，烷基取代或未取代的噻吩，或烷基取代或未取代的苯胺。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解质溶液的溶剂选自水和乙腈的一种；所述电解质溶液的电解质选自季铵盐和高氯酸盐的一种，且所述电解质的浓度为
0.01～1mol/L。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电解质选自六氟化磷四正丁基胺或高氯酸锂。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电化学聚合采用三电极体系，包括参比电极、修饰电极和对电极；所述的修饰电极作为阳极。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将所述聚合物薄膜通过静电作用粘贴在工作电极的表面以形成修饰电极，所述工作电极为表面平整的薄片电极；所述对电极为表面平整的薄片电极；所述参比电极为Ag/Ag+电极。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
采用熔融拉伸法制备取向的高密度聚乙烯HDPE聚合物薄膜，然后将HDPE聚合物薄膜通过静电作用粘贴在作为工作电极的ITO玻璃的表面以形成修饰电极；
将含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜；电化学聚合的条件如下：
所述修饰电极为阳极、Ti片为对电极，Ag/Ag+电极为参比电极，电解质溶液包括2～5g/L的碳纳米管、0.05～0.1mol/L的苯胺、0.1～0.5mol/L高氯酸锂和1～5mol/L的乙酸，溶剂为乙腈；循环伏安法的扫描电压为-0.2～1.6V，扫描速度为50～100mV/s，且循环次数为20～
50次。
复合薄膜及其制备方法和用途
技术领域
背景技术
[0002] 导电聚合物可以作为热电材料、气敏材料和电极材料，因而引起了人们的广泛关注。导电聚合物的低有序性和独特的导电机理导致其导电性仍与无机材料存在较大差距。人们尝试提高导电聚合物的导电性，采用的手段包括控制导电聚合物薄膜结构，将其与碳材料复合。
[0003] 控制导电聚合物薄膜结构的方法包括机械作用法和基底诱导法。只有控制导电聚合物薄膜结构的高度有序(各向异性)才能达到高效的电荷传输，然而如何获得这种组织结构存在相当大的困难。目前，通常采用两步法获得各向异性的导电聚合物薄膜。先将有机小分子单体通过化学聚合或电化学聚合等手段进行聚合制备导电聚合物；然后将导电聚合物通过机械剪切、溶液提拉、熔融拉伸或者基底诱导等手段进行取向，制备导电聚合物薄膜。这样的制备工艺相对复杂。
[0004] 目前，已经有一些将导电聚合物与碳材料进行复合的报道。CN101654784A公开了一种柔性碳纳米管透明导电薄膜材料的制备方法，将碳纳米管利用阴离子型表面活性剂在超声波作用下分散在水溶液中，离心后取上清液作为镀液，用氨水调节镀液为碱性；采用电沉积的方法将分散在镀液中的碳纳米管均匀的沉积在抛光的不锈钢电极表面上，得到均匀碳纳米管薄膜；将碳管薄膜转移到柔性的透明聚合物基片表面，构成柔性透明导电薄膜。CN108490051A公开了一种柔性微型自驱动常温气体传感器的制备方法，其中的气体传感器电极由圆形电极与平行电极组成，多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料涂覆在平行电极之间。
CN107591252A公开了一种柔性可裁剪固态超级电容器，以碳纳米管/聚苯胺复合膜为电极，该电极通过电化学沉积法在碳纳米管薄膜上沉积聚苯胺制备得到。上述方法均无法获得各向异性的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜。
CN107591252A公开了一种柔性可裁剪固态超级电容器，以碳纳米管/聚苯胺复合膜为电极，该电极通过电化学沉积法在碳纳米管薄膜上沉积聚苯胺制备得到。上述方法均无法获得各向异性的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜。
[0005] CN102780010A公开了一种导电复合物修饰碳基材料微生物燃料电池复合阳极的制备方法，将纯化的多壁碳纳米管放入电解质水溶液中，超声使碳纳米管分散于溶液中；再向其中加入3,4-乙烯二氧噻吩单体，制备分散良好的3,4-乙烯二氧噻吩/多壁碳纳米管悬浮溶液；利用循环伏安法将复合物电沉积在阳极表面；依次经真空干燥，去离子水冲洗及室温晾干后制得修饰阳极。上述方法由于未对工作电极进行表面修饰，因而依然无法获得各向异性的碳纳米管/聚苯胺复合薄膜。此外，由于多壁碳纳米管含量过高，不利于获得高取向度复合薄膜。
[0006] CN103451698A公开了一种高取向的导电高分子薄膜的制备方法，采用被高取向的聚合物薄膜修饰的电极进行电化学聚合得到高取向的导电高分子薄膜。但是，该专利文献并没有教导采用该方法可以获得各向异性的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜。由于碳纳米管本身的导电性及其对电解质溶液性质的影响，导致电化学聚合体系发生显著变化，采用上述方法获得各向异性的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜依然存在许多需要克服的困难。
发明内容
[0007] 有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种复合薄膜的制备方法，其可以获得各向异性的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜。进一步地，本发明的方法可以获得高度取向的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜。本发明另一个目的在于提供一种复合薄膜，其具有较高的各向异性。本发明的再一个目的在于提供上述复合薄膜的用途。
[0008] 一方面，本发明提供一种复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0009] 采用熔融拉伸法制备取向的聚合物薄膜，然后采用该聚合物薄膜修饰电化学聚合的工作电极以形成修饰电极；
[0010] 将含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜；
[0011] 在所述电荷转移复合物中，以克计的碳纳米管的质量与以摩尔计的导电聚合物单体的摩尔量之比为2～8g:0.01～0.5mol。
[0012] 根据本发明所述的制备方法，优选地，形成所述聚合物薄膜的聚合物选自高密度聚乙烯HDPE、等规聚丙烯iPP和聚偏氟乙烯PVDF中的一种；所述导电聚合物单体选自(1)烷基取代或未取代的吡咯，(2)烷基取代或未取代的噻吩，或(3)烷基取代或未取代的苯胺。
[0013] 根据本发明所述的制备方法，优选地，所述电化学聚合在电解质溶液中进行；在所述电解质溶液中，碳纳米管的浓度为2～8g/L，导电聚合物单体的浓度为0.01～0.5mol/L。
[0014] 根据本发明所述的制备方法，优选地，所述电解质溶液的溶剂选自水和乙腈的一种；所述电解质溶液的电解质选自季铵盐和高氯酸盐的一种，且所述电解质的浓度为0.01～1mol/L。
[0015] 根据本发明所述的制备方法，优选地，所述电解质选自六氟化磷四正丁基胺或高氯酸锂。
[0016] 根据本发明所述的制备方法，优选地，所述电化学聚合采用三电极体系，包括参比电极、修饰电极和对电极；所述的修饰电极作为阳极。
[0017] 根据本发明所述的制备方法，优选地，将所述聚合物薄膜通过静电作用粘贴在工作电极的表面以形成修饰电极，所述工作电极为表面平整的薄片电极；所述对电极为表面平整的薄片电极；所述参比电极为Ag/Ag+电极。
[0018] 根据本发明所述的制备方法，优选地，包括如下具体步骤：
[0019] 采用熔融拉伸法制备取向的高密度聚乙烯HDPE聚合物薄膜，然后将HDPE聚合物薄膜通过静电作用粘贴在作为工作电极的ITO玻璃的表面以形成修饰电极；
[0020] 将含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜；电化学聚合的条件如下：
[0021] 所述修饰电极为阳极、Ti片为对电极，Ag/Ag+电极为参比电极，电解质溶液包括2～8g/L的碳纳米管、0.05～0.2mol/L的苯胺、0.1～0.5mol/L高氯酸锂和1～5mol/L的乙酸，溶剂为乙腈；循环伏安法的扫描电压为-0.2～1.6V，扫描速度为50～100mV/s，且循环次数为10～50次。
[0022] 另一方面，本发明提供一种含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜，其采用上述制备方法得到，所述复合薄膜的厚度为10nm～10μm，电导率的各向异性比在10～100之间。
[0023] 再一方面，本发明提供上述复合薄膜在热电材料、气敏材料或电极材料中的用途。
[0025] 图1为本发明的阳极修饰用高度取向的HDPE薄膜的制备方法示意图。
[0026] 图2为本发明的高度取向的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜的偏光显微镜照片(0°)。
[0027] 图3为本发明的高度取向的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜的偏光显微镜照片(45°)。
[0028] 图4为本发明的高度取向的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜的扫描电子显微镜照片-复合薄膜的表面形貌。
[0029] 图5为本发明的高度取向的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜的扫描电子显微镜照片-导电聚合物包覆碳纳米管的形貌。
具体实施方式
[0030] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0031] 本发明的复合薄膜同时含有碳纳米管和导电聚合物。碳纳米管分散在导电聚合物基体中。导电聚合物基体薄膜具有一定的取向性，碳纳米管的排列分布也具有一定的取向性。这样有利于获得具有良好导电性的复合薄膜。本发明的复合薄膜具有较高的各向异性，可以采用电导率的各向异性比来表征。
[0032] 本发明的复合薄膜可以通过如下方法制备得到：采用熔融拉伸法制备取向的聚合物薄膜，然后采用该聚合物薄膜修饰电化学聚合的工作电极以形成修饰电极；将含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜。
[0033] 熔融拉伸法可以获得高度取向的聚合物薄膜。将适量的聚合物溶液浇注在具有一定温度的平滑玻璃板上，均匀摊开以形成具有一定厚度的溶液层。聚合物溶液可以由高密度聚乙烯HDPE、等规聚丙烯iPP和聚偏氟乙烯PVDF溶于有机溶剂来形成。有机溶剂可以为能够溶解上述聚合物的溶剂，例如脂肪烃、芳香烃、吡咯烷酮等。有机溶剂的实例包括但不限于N-甲基吡咯烷酮、正辛烷和二甲苯等。聚合物溶液中的聚合物浓度可以为0.0001～5wt％，优选为0.01～1wt％。只要保证能够将聚合物充分溶解，并在平滑玻璃板可以形成均匀的溶液层即可。平滑玻璃板的上方具有加热盘，从而将溶液层维持在一定温度。溶剂完全挥发后，用机械滚筒将平滑玻璃板上的聚合物过冷熔体膜粘起，并拉伸，得到高取向的聚合物薄膜。机械滚筒的实例包括但不限于马达驱动的滚筒。
[0034] 通过调节聚合物的浓度、玻璃板的预热温度和机械滚筒的拉伸速度可以获得不同厚度及取向度的聚合物薄膜。聚合物薄膜的厚度在30～100nm之间，优选为50～100nm。聚合物薄膜的宽度为5～30cm、优选为10～20cm。聚合物薄膜的长度为5～30cm，优选为10～30cm。根据本发明的一个实施方式，聚合物薄膜的宽度和长度均为10cm。
[0035] 形成聚合物薄膜的聚合物可以选自高密度聚乙烯HDPE、等规聚丙烯iPP和聚偏氟乙烯PVDF中的一种；优选为高密度聚乙烯HDPE或聚偏氟乙烯PVDF。这样有利于改善碳纳米管/导电聚合物复合薄膜的各向异性。
[0036] 采用该聚合物薄膜修饰电化学聚合的工作电极以形成修饰电极。例如，将熔融拉伸法制备的高取向的聚合物薄膜通过静电作用粘贴在工作电极表面，得到取向聚合物薄膜修饰电极。该修饰电极可以诱导含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物通过电化学聚合在其上形成各向异性的复合薄膜。
[0037] 本发明发现，在所述电荷转移复合物中，以克计的碳纳米管的质量与以摩尔计的导电聚合物单体的摩尔量之比可以控制在2～8g:0.01～0.5mol，优选为3～6g:0.05～0.1mol。也就是说，在电解质溶液中，碳纳米管的浓度为2～8g/L，则导电聚合物单体的浓度为0.01～0.5mol/L。当二者的比例超出上述范围，很难获得各向异性的复合薄膜。
[0038] 本发明的电化学聚合在电解质溶液中进行。电解质溶液的溶剂选自水和乙腈的一种；优选为乙腈。电解质溶液中可以包括碳纳米管、导电聚合物单体和电解质；还可以包括有机酸。
[0039] 本发明的碳纳米管可以为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，其与导电聚合物单体复合形成电荷转移复合物。在所述电解质溶液中，碳纳米管的浓度为2～8g/L，优选为3～6g/L。合适的碳纳米管浓度有利于其在导电聚合物中取向，从而形成各向异性复合薄膜。
[0040] 本发明的导电聚合物单体表示可以通过聚合反应形成导电聚合物的单体，其可以选自(1)烷基取代或未取代的吡咯，(2)烷基取代或未取代的噻吩，或(3)烷基取代或未取代的苯胺。上述烷基可以为C1～C6的烷基，优选为C1～C3的烷基，例如甲基、乙基或丙基。上述取代的位置并没有限定，只要不影响其发生电化学聚合反应即可。上述取代可以为单取代或二取代，优选为单取代。在所述电解质溶液中，导电聚合物单体的浓度为0.01～0.5mol/L，优选为0.1～0.5mol/L。合适的导电聚合物单体浓度有利于形成取向的导电聚合物基体，从而形成各向异性复合薄膜。
[0041] 本发明的电解质可以选自季铵盐和高氯酸盐的一种，优选为高氯酸盐。季铵盐可以为六氟化磷的季铵盐，具体的实例包括但不限于六氟化磷四正丁基胺。高氯酸盐可以为碱金属的高氯酸盐，具体的实例包括但不限于高氯酸锂。根据本发明的一个实施方式，所述电解质选自六氟化磷四正丁基胺或高氯酸锂。这样非常有利于形成各向异性的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜。在所述电解质溶液中，所述电解质的浓度为0.01～1mol/L，优选为0.1～0.5mol/L。
[0043] 采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜。需要构建包括参比电极、修饰电极和对电极的三电极体系。将上述修饰电极作为阳极，并在其上发生阳极聚合，从而形成复合薄膜。修饰电极由聚合物薄膜通过静电作用粘贴在工作电极的表面形成。工作电极可以为表面平整的薄片电极；具体的实例包括但不限于ITO玻璃、Ti片、Au片、Ag片等；优选为ITO玻璃。对电极为表面平整的薄片电极；具体的实例包括但不限于ITO玻璃、Ti片、Au片、Ag片等，优选为Ti片。参比电极为Ag/Ag+电极。
[0044] 循环伏安法的电压根据具体物质的氧化或还原电位确定。根据电化学聚合循环次数的设定调节复合薄膜的厚度。循环伏安法的扫描电压可以为-0.2～1.6V，扫描速度为20～100mV/s，且循环次数为10～50次。优选地，扫描速度为50～100mV/s，且循环次数为30～50次。
[0045] 根据本发明的一个实施方式，采用如下步骤制备复合薄膜：
[0046] 采用熔融拉伸法制备取向的高密度聚乙烯HDPE聚合物薄膜，然后将HDPE聚合物薄膜通过静电作用粘贴在作为工作电极的ITO玻璃的表面以形成修饰电极；
[0047] 将含碳纳米管与导电聚合物单体的电荷转移复合物在所述修饰电极上进行电化学聚合，采用循环伏安法形成含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜；电化学聚合的条件如下：
[0048] 所述修饰电极为阳极、Ti片为对电极，Ag/Ag+电极为参比电极，电解质溶液包括2～8g/L的碳纳米管、0.05～0.2mol/L的苯胺、0.1～0.5mol/L高氯酸锂和1～5mol/L的乙酸，溶剂为乙腈；循环伏安法的扫描电压为-0.2～1.6V，扫描速度为50～100mV/s，且循环次数为10～50次。
[0049] 采用循环伏安法进行阳极聚合完成后，将在修饰电极上形成的复合薄膜分别用去离子水、乙醇冲洗3～5次，以去除未聚合的单体和电解质，然后干燥，得到碳纳米管/导电聚合物薄膜。复合薄膜的厚度可以为10nm～10μm，优选100nm～1μm。电导率的各向异性比在10～100之间，优选为30～70之间。根据本发明的一个实施方式，含碳纳米管和导电聚合物的各向异性的复合薄膜采用前述制备方法得到，所述复合薄膜的厚度为10nm～10μm，电导率的各向异性比在10～100之间。
[0050] 本发明的碳纳米管/导电聚合物复合薄膜的电导率具有各向异性，即在平行和垂直修饰电极的聚合物取向薄膜方向表现出明显差异的电导率。因此，本发明的复合薄膜可以应用于热电材料、气敏材料或电极材料中。
[0051] 电导率的各向异性比：表示指复合薄膜在平行于聚合物薄膜取向方向及垂直于聚合物薄膜取向方向的电导率的比值。通过两探针法测定两个方向的电导率。
[0052] 实施例1
[0053] 如图1所示，将聚合物溶液(0.5wt％HDPE的二甲苯溶液)浇注在预热的平滑的玻璃板上，并均匀摊开。当溶剂完全挥发后，用马达驱动的滚筒将玻璃板上的聚合物过冷熔体膜粘起并拉伸，得到高取向的HDPE薄膜，厚度为50nm，宽度为10cm、长度10cm。
[0054] 将上述熔融拉伸法获得的HDPE薄膜通过静电作用粘贴在作为工作电极的ITO玻璃上，形成修饰电极。以该修饰电极为阳极、Ti片为对电极、Ag/Ag+电极为参比电极组成三电极体系。采用循环伏安法形成复合薄膜；电化学聚合的条件如下：
[0055] 电解质溶液的组成为：2g/L的碳纳米管、0.2mol/L苯胺、0.5mol/L高氯酸锂、2mol/L乙酸；扫描电压为-0.2～1.6V、扫描速度为50mV/s、循环次数为10次。
[0056] 电化学聚合完成后，将修饰电极上的复合薄膜分别用去离子水、乙醇冲洗3次，去除未聚合单体和电解质，干燥得到碳纳米管/导电聚合物复合薄膜，厚度为200nm，电导率的各向异性比为21，参见图2～5。
[0057] 实施例2～3
[0058] 除了采用表1的条件替换实施例1的条件之外，其他条件与实施例1相同。
[0059] 对比例1～2
[0060] 除了采用表1的条件替换实施例1的条件之外，其他条件与实施例1相同。
[0061] 表1
[0062]
[0063] 实施例4
[0064] 将聚合物溶液(0.5wt％PVDF的N-甲基吡咯烷酮溶液)浇注在预热的平滑的玻璃板上，并均匀摊开。当溶剂完全挥发后，用马达驱动的滚筒将玻璃板上的聚合物过冷熔体膜粘起并拉伸，得到高取向的PVDF薄膜，厚度为50nm，宽度为10cm、长度10cm。
[0065] 将上述熔融拉伸法获得的PVDF薄膜通过静电作用粘贴在作为工作电极的ITO玻璃上，形成修饰电极。以该修饰电极为阳极、Ti片为对电极、Ag/Ag+电极为参比电极组成三电极体系。采用循环伏安法形成复合薄膜；电化学聚合的条件与实施例1相同。
[0066] 电化学聚合完成后，将修饰电极上的复合薄膜分别用去离子水、乙醇冲洗3次，去除未聚合单体和电解质，干燥得到碳纳米管/导电聚合物复合薄膜，厚度为200nm，电导率的各向异性比为23。
[0067] 实施例5
[0068] 将聚合物溶液(0.5wt％iPP的二甲苯溶液)浇注在预热的平滑的玻璃板上，并均匀摊开。当溶剂完全挥发后，用马达驱动的滚筒将玻璃板上的聚合物过冷熔体膜粘起并拉伸，得到高取向的iPP薄膜，厚度为50nm，宽度为10cm、长度10cm。
[0069] 将上述熔融拉伸法获得的iPP薄膜通过静电作用粘贴在作为工作电极的ITO玻璃上，形成修饰电极。以该修饰电极为阳极、Ti片为对电极、Ag/Ag+电极为参比电极组成三电极体系。采用循环伏安法形成复合薄膜；电化学聚合的条件与实施例1相同。
[0070] 电化学聚合完成后，将修饰电极上的复合薄膜分别用去离子水、乙醇冲洗3次，去除未聚合单体和电解质，干燥得到碳纳米管/导电聚合物复合薄膜，厚度为200nm，电导率的各向异性比为29。
[0071] 本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。
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