水性光敏印刷电子材料的制备及其在喷墨打印中的应用

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随着电子工业和材料科学的迅猛发展,印刷电子技术成为实现低成本制造大面积、柔性化电子或光电器件的关键技术,因而相应的印刷电子材料和印刷技术成为研究热点。在印刷电子材料中,碳纳米管(CNTs)和聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)为整个行业带来了新的高潮。溶液型的分散体系是CNTs和PEDOT能应用于印刷电子中必要条件,而水性体系成为绿色环保型经济发展模式的大趋势,然而由于较强的亲水性,直接以水性分散体系制备的材料在性能上往往存在耐水性、稳定性等方面的不足。为获得性能更为优异、稳定的印刷电子材料,本文设计合成了一种水性光敏聚合物:P(SS-co-AA-g-GMA)(PSAG),以PSAG为基础制备了两种印刷电子材料:PSAG-CNTs和PEDOT:PSAG。借助于普通商用喷墨打印机制备了可用于化学气体检测的MCNTs传感器和具有透明、柔性的PEDOT导电器件,同时研究了光敏双键的引入对功能涂层材料性能的影响,论文的具体内容包括:(1)水性光敏聚合物PSAG的合成及其改性CNTs的性能研究以丙烯酸(AA)、对苯乙烯磺酸钠(SS)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为原料合成一种水性光敏聚合物PSAG,采用核磁共振(1H-NMR)对PSAG进行了结构和光敏性能表征。将CNTs分散在PSAG溶液中,结果发现,PSAG对CNTs有很好的分散能力,在相同分散条件下,其分散性能不逊色于商用聚合物分散剂:聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)。此外,PSAG-CNTs分散液均一、稳定,且PSAG-CNTs涂层经紫外光曝光后形成交联结构,可提高涂层的耐水性。最后,在此基础上,通过基材转换的方法制备了具有良好电性能的柔性导电膜。(2)喷墨打印制备纸基MCNTs气体传感器及其气敏性研究基于PSAG对CNTs优异的分散性能,以直径<8nm,长度在0.2-5μm范围内的MCNTs为分散对象,制备适于喷墨打印的水性光敏多壁碳纳米管(MCNTs)墨水。借助于普通商用压电式喷墨打印机,以相纸为基材制备了纸基的MCNTs一体化气体传感器,研究该气体传感器对易挥发有机溶剂蒸汽的检测效果。结果表明,其对氨气和甲醇有较好的响应效果。同时比较了喷墨打印制备的一体化气体传感器与常规的金电极滴涂法制备的气体传感器在检测性能上的差异。最后对体系气敏机理进行了探讨,结果显示,在气敏性能上,PSAG和MCNTs两者起着拮抗作用,最后的响应行为取决与两者的相对含量。(3)水性光敏PEDOT的合成及其在喷墨打印中的应用基于PSAG中带有丰富的磺酸基团,以PSAG作为PEDOT聚合所用的模板和掺杂剂,合成了喷印性能优异的导电聚合物PEDOT:PSAG的水溶液,采用普通商用压电式喷墨打印机,分别以相纸和PET胶片为承印基材,制备了各式图案的喷印涂层。对比了在不同基材和不同喷印层数下制备的喷印图案涂层的性能。结果显示,在相同喷印次数下,以PET为基材时所获得图案涂层的电性能、柔韧性都要优于以相纸为基材,并且以PET为基材可以获得透明、柔性的导电器件;PEDOT:PSAG经紫外光曝光后虽然喷印涂层的电性能有所降低,柔韧性变化不大,但耐水性得到了显著提高,并且喷印涂层在PET上具有很好的附着力。
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