基于碳纳米管和银纳米线的杂化透明的柔性加热器.doc

基于碳纳米管和Ag纳米线的复合型透明柔性加热薄膜 1.简介 透明加热薄膜已经引起越来越多的关注，它们的应用范围很广，如户外显示器，航空电子显示器，以及潜望镜和车辆窗户除霜器。迄今为止，只有由单一的导电性纳米材料所制成的透明薄膜被用于透明的加热薄膜的制备。但是，由于每一种纳米材料都有自己的优缺点，要满足行业的不同需求，几乎是不可能的。这里，我们提出了一种基于碳纳米管和Ag纳米线的高性能复合型透明加热薄膜。这种新的复合型薄膜在去雾方面有了很大的进步，而且Ag纳米线薄膜的柔性也得到了改善，并同时保持了优异的导电性。我们证明了这种新的加热薄膜即使在低电压下，表面温度也可以持续上升，并具有长期稳定性。更为先进的薄膜要求在保持良好的机械灵活性的同时，要具有更好的光-电性能，而我们目前的工作表明生长出这种加热薄膜是可行的。 透明加热薄膜是快速获得清晰视图的有效方法，其最重要的特征是光学透明度和电导率。ITO薄膜在工业中已被广泛地用作透明加热薄膜。然而，铟很稀少，其价格不断根据市场需求波动。另外，制造高品质的ITO薄膜十分昂贵，因为它需要专门在高温下操作的真空设备。近年来，随着柔性电子产品的热潮，机械灵活性已成为衡量透明加热器性能的另一个重要标准。然而，ITO并不适合用于柔性应用。为了突破ITO加热薄膜的限制，一些导电性纳米材料已经被尝试过。但是，在未掺杂的情况下，利用碳纳米管（CNT）和石墨烯等碳纳米材料制备高导电性的透明薄膜非常困难，其效果也是暂时的。而由Ag纳米线制成的薄膜，尽管其电导率可与ITO相提并论，但由漫射光反射所引起的雾度和纳米线所引起的光散射一直是个严重的问题。如表1所示，目前还没有一种材料能在各个方面达到一个主导地位。因此，相比于单一类型的纳米材料，复合型互补材料有了更好的突破。在这项研究中，我们选择了单壁碳纳米管和Ag纳米线的复合材料，因为这两种互补的纳米材料可同时使用湿式镀膜工艺如浸涂，喷涂，和棒涂镀膜。我们使用这种复合材料制备了透明柔性加热薄膜，并对它们的光-电特性，加热性能和机械灵活性进行了测试。 2.材料和方法 当使用湿式镀膜工艺时，为了使得最终的导电薄膜光电性能最优，纳米材料应当很好地分散在涂层溶液中。由于将多种材料分散在一种溶液中比将各种材料单独分散在溶液中困难，我们采用将碳纳米管和Ag纳米线单独分散的方法。然后，将每种分散液连续涂覆到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上，制得具有层状结构的导电薄膜，如图1（a）所示。在该层状结构中，将CNT薄膜置于Ag纳米线薄膜之上，以降低Ag纳米线的氧化。并同时单独使用碳纳米管或Ag纳米线制成薄膜，以进行对比实验。我们通常将喷涂和辊到辊涂这两种大面积镀膜工艺用于大规模生产，如图1（b）所示。由于喷涂工艺比卷对卷涂工艺操作更灵活，所以我们主要使用喷涂工艺制备各种样品来进行参数研究，并使用卷对卷涂工艺制备最终的导电薄膜进行加热测试。 在喷涂工艺中，我们使用了工业Ag纳米线分散液（DT-LJ31AGA，同上技术）和由电弧放电法制备的单壁碳纳米管分散液（顶级纳米系统公司）。使用透射电子显微镜（见支持信息，图S1），测量在分散液中的纳米材料的尺寸。Ag纳米线以0.02wt％的浓度分散在水中，其标准直径和长度分别为20-30nm和10-20um。单壁碳纳米管以0.03％的浓度分散在水溶液中，其标准直径和长度分别为1-2nm和4-5um。在喷涂的过程中，Ag纳米线和碳纳米管依次涂覆在PET衬底上，并且为了使溶剂快速蒸发，衬底的温度一直保持在80℃。涂层的厚度通过调整喷雾次数来控制。 在卷对卷涂工艺中，我们使用了另一种Ag纳米线分散液（Nanopyxis）优化狭缝型挤压式涂覆法，碳纳米管分散液用于喷涂工艺。分散液中，Ag纳米线的标准直径和长度分别为35 nm和25um。Ag纳米线分散于浓度为0.15wt％的异丙醇中。在卷对卷涂工艺中，Ag纳米线和碳纳米管依次涂覆在PET衬底上，厚度为几十纳米的丙烯酸硅树脂膜最后涂覆在导电薄膜上，它作为保护层，防止纳米材料的机械分离和Ag纳米线的氧化。涂层的厚度通过调整涂覆在衬底上的分散液体积和分散液中纳米材料的浓度来控制。将该涂层薄膜置于90-100℃的热空气中干燥1分钟。 制得导电薄膜之后，再用银浆形成电极。图1（a）即为所制备的加热薄膜。各电极的长度为4cm，平行电极之间的距离也为4cm。 数字万用表（289，福禄克）用来测量所制备的加热薄膜的电阻。使用基于ISO1346的雾度计和反射计（HR-100，Murakami Color技术研究所）获得透射率和雾度。我们用自制的弯曲频率为1Hz的试验机分别对碳纳米管、Ag纳米线和复合型薄膜进行了抗弯测试，弯曲次数为1000次，弯曲半径为1.5和4.5毫米。在抗弯测试中，我们使用数字万用表实时测试和记录了测试