柔性透明導(dǎo)電聚合物薄膜制備工藝大突破

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要：本文深入探討了柔性透明導(dǎo)電聚合物薄膜制備工藝的重大突破。首先闡述了傳統(tǒng)制備工藝面臨的挑戰(zhàn)，引出新型制備工藝的研發(fā)背景。詳細(xì)介紹了新工藝的原理、具體流程以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，展示了其在提升薄膜性能、降低成本、提高生產(chǎn)效率等方面的顯著優(yōu)勢。同時(shí)，對該工藝在可折疊電子設(shè)備、柔性太陽能電池、智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，并對未來研究方向提出了見解，為柔性透明導(dǎo)電聚合物薄膜領(lǐng)域的發(fā)展提供重要參考。

一、引言

柔性透明導(dǎo)電聚合物薄膜（Flexible Transparent Conductive Polymer Films，F(xiàn)TCPFs）憑借其獨(dú)特的柔韌性、良好的光學(xué)透明性和導(dǎo)電性，在現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從可折疊顯示屏、柔性太陽能電池到智能可穿戴設(shè)備，F(xiàn)TCPFs 的應(yīng)用無處不在，成為推動(dòng)電子設(shè)備向輕薄化、柔性化、智能化發(fā)展的重要材料。然而，傳統(tǒng)的 FTCPFs 制備工藝存在諸多局限性，嚴(yán)重制約了其性能提升和大規(guī)模應(yīng)用，因此，研發(fā)新型制備工藝成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵突破點(diǎn)。

二、傳統(tǒng)制備工藝面臨的挑戰(zhàn)

（一）薄膜性能受限

導(dǎo)電性與透明性難以兼顧：傳統(tǒng)制備工藝下，為提高聚合物薄膜的導(dǎo)電性，往往需要添加大量的導(dǎo)電填料，如金屬納米顆粒、碳納米管等。但這會(huì)導(dǎo)致薄膜的光學(xué)透明性下降，難以在對透明度要求極高的應(yīng)用場景，如**顯示領(lǐng)域中滿足需求。反之，若追求高透明性而減少導(dǎo)電填料用量，又會(huì)使薄膜導(dǎo)電性不足，無法有效傳輸電流。

柔韌性與穩(wěn)定性不足：部分傳統(tǒng)工藝制備的 FTCPFs 在彎曲、折疊過程中，容易出現(xiàn)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷裂、薄膜分層等問題，導(dǎo)致導(dǎo)電性和機(jī)械性能下降。這是由于聚合物與導(dǎo)電填料之間的界面結(jié)合力較弱，在外界應(yīng)力作用下，兩者無法協(xié)同工作，嚴(yán)重影響了薄膜在柔性電子設(shè)備中的使用壽命和可靠性。

（二）制備成本高昂

原材料成本高：傳統(tǒng)工藝常依賴昂貴的金屬納米材料或高性能聚合物作為原料。例如，制備基于銀納米線的 FTCPFs 時(shí)，銀納米線價(jià)格較高，且其合成過程復(fù)雜，進(jìn)一步增加了成本。此外，一些高性能聚合物，如聚酰亞胺，雖具有良好的綜合性能，但原料價(jià)格昂貴，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

工藝復(fù)雜能耗大：像化學(xué)氣相沉積（CVD）、物**相沉積（PVD）等傳統(tǒng)制備方法，需要在高溫、高真空等嚴(yán)苛條件下進(jìn)行，設(shè)備投資大，運(yùn)行過程中能耗高。同時(shí)，復(fù)雜的工藝步驟增加了生產(chǎn)時(shí)間和人力成本，使得 FTCPFs 的制備成本居高不下。

（三）生產(chǎn)效率低下

工藝步驟繁瑣：傳統(tǒng)制備 FTCPFs 的工藝往往涉及多步操作，如溶液旋涂、熱退火、化學(xué)修飾等。每一步操作都需要**控制條件，且步驟之間需要等待時(shí)間，如旋涂后需等待溶劑揮發(fā)，熱退火需要升降溫過程，這大大延長了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)效率。

難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)：許多傳統(tǒng)工藝難以適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)模式，如真空蒸鍍法，需要在真空腔室內(nèi)逐個(gè)放置基底進(jìn)行鍍膜，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率的連續(xù)生產(chǎn)，限制了 FTCPFs 的產(chǎn)能提升。

三、新型制備工藝原理

（一）原位聚合法原理

原位聚合法是在含有導(dǎo)電填料的溶液體系中，通過引發(fā)劑引發(fā)單體聚合，使聚合物在導(dǎo)電填料表面原位生長，形成緊密結(jié)合的導(dǎo)電聚合物 / 導(dǎo)電填料復(fù)合結(jié)構(gòu)。以制備聚（3,4 - 乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）/ 碳納米管（CNT）復(fù)合薄膜為例，首先將 CNT 均勻分散在含有 PEDOT:PSS 單體和引發(fā)劑的溶液中。在一定溫度和攪拌條件下，引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā) PEDOT:PSS 單體聚合。由于聚合反應(yīng)在 CNT 表面發(fā)生，生成的 PEDOT:PSS 聚合物緊密包裹 CNT，形成高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這種原位生長的方式增強(qiáng)了聚合物與導(dǎo)電填料之間的界面相互作用，有效提升了薄膜的導(dǎo)電性、柔韌性和穩(wěn)定性。

（二）溶液加工 - 熱壓成型法原理

該方法首先通過溶液加工技術(shù)，如旋涂、噴涂等，將含有導(dǎo)電聚合物和添加劑的溶液均勻涂覆在柔性基底上，形成濕膜。然后，在一定溫度和壓力下對濕膜進(jìn)行熱壓成型處理。在熱壓過程中，聚合物分子鏈發(fā)生重排和取向，添加劑起到促進(jìn)分子鏈相互作用和改善薄膜性能的作用。例如，在制備聚吡咯（PPy）薄膜時(shí)，將含有 PPy 前驅(qū)體、摻雜劑和增塑劑的溶液涂覆在聚對苯二甲酸乙二酯（PET）基底上，熱壓過程中，PPy 前驅(qū)體發(fā)生聚合反應(yīng)，摻雜劑促進(jìn)其導(dǎo)電性能提升，增塑劑提高薄膜柔韌性。同時(shí)，熱壓使聚合物分子鏈沿基底表面取向，增強(qiáng)了薄膜的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能的各向異性，滿足不同應(yīng)用場景對薄膜性能的要求。

四、新型制備工藝具體流程

（一）原位聚合法制備流程

原料準(zhǔn)備：**稱取一定量的碳納米管（CNT），采用超聲分散法將其均勻分散在含有 PEDOT:PSS 單體、引發(fā)劑過硫酸銨（APS）和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的水溶液中。其中，CNT 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 0.5% - 2%，PEDOT:PSS 單體與 APS 的摩爾比為 10:1 - 20:1，SDBS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1% - 0.5%。

聚合反應(yīng)：將上述混合溶液轉(zhuǎn)移至帶有攪拌裝置和冷凝回流裝置的三口燒瓶中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，于 50 - 70℃的恒溫水浴中攪拌反應(yīng) 6 - 12 小時(shí)。反應(yīng)過程中，APS 分解產(chǎn)生自由基，引發(fā) PEDOT:PSS 單體聚合，形成 PEDOT:PSS/CNT 復(fù)合溶液。

薄膜制備：將得到的復(fù)合溶液通過旋涂法均勻涂覆在經(jīng)過預(yù)處理的柔性聚酰亞胺（PI）基底上，旋涂轉(zhuǎn)速為 2000 - 3000 r/min，時(shí)間為 30 - 60 秒。然后將涂覆好的基底放入真空烘箱中，在 80 - 120℃下干燥 2 - 4 小時(shí)，去除溶劑，得到 PEDOT:PSS/CNT 柔性透明導(dǎo)電聚合物薄膜。

（二）溶液加工 - 熱壓成型法制備流程

溶液配制：將聚吡咯（PPy）前驅(qū)體吡咯、摻雜劑對甲苯磺酸（p - TSA）和增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）溶解在有機(jī)溶劑 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% - 10% 的溶液。其中，吡咯與 p - TSA 的摩爾比為 1:1 - 1.5:1，DBP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% - 10%。

溶液涂覆：采用噴涂法將上述溶液均勻噴涂在經(jīng)過清洗和活化處理的 PET 基底上，形成濕膜。噴涂壓力控制在 0.2 - 0.4 MPa，噴槍與基底的距離為 15 - 20 cm。

熱壓成型：將涂有濕膜的 PET 基底放入熱壓機(jī)中，在溫度 150 - 200℃、壓力 5 - 10 MPa 的條件下熱壓 10 - 20 分鐘。熱壓過程中，吡咯發(fā)生聚合反應(yīng)，同時(shí)聚合物分子鏈在壓力作用下重排和取向，形成具有良好性能的 PPy 柔性透明導(dǎo)電聚合物薄膜。

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