[發明專利]一種透明纖維素薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201410114346.4
• 申請日: 2014-03-25
• 公開（公告）號: CN103898802A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 劉德桃;陳進波;陳克復
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: D21H27/00
• 分類號: D21H27/00;D21H11/00;D21C3/22
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及一種纖維素薄膜，特別是涉及一種透明纖維素薄膜及其制備方法，該透明纖維素薄膜可在柔性OLED,柔性太陽能電池，柔性有機電子材料等領域應用；屬于綠色環保的透明紙領域。

背景技術

隨社會的進步和人們環境意識的增強，人們對工作和生活環境提出越來越高的要求，不僅要求產品質量高，而且對其環境友好性提出了更高的要求。當前市場主要采用聚對萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚碳酸酯PC，聚乙烯乙二醇酯，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚乙烯對苯二甲酯（PET），聚酰亞胺PI，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為電子器件（柔性OLED,柔性太陽能電池，柔性有機電子材料）的襯底材料使用，而這些材料存在熱膨脹系數偏高和可加工溫度偏低的缺陷。尋找一種質量可靠且綜合性能優良的新型材料以替代部分有機薄膜襯底材料已成為當前世界各國迫切需要解決的科學難題。為此，許多的研究工作者也研究各種合適的材料予以作為替代材料使用的可能，其中自然界天然生長的植物纖維引人關注。天然植物纖維具有綠色環保、可再生、成本低、原料來源廣泛等優點，而將植物纖維加工成的純材料也具有較高的熱分解溫度（200‐250℃），而其加工后的納米級纖維材料的熱膨脹率（CTE）卻與石英玻璃等無機材質相當，比PET塑料低很多。但由普通紙漿纖維組成的普通紙材料具有纖維粗糙且孔隙較大，透光但幾乎不透明。美國麻省理工學院研究人員利用氧化化學氣相淀積的方法，將原料單體和氧化劑氣化后噴在薄薄的、柔性普通衛生紙材料上，形成一種PEDOT導電薄膜，但因紙材料不透明且強度差而導致性能不佳。因此需要對植物纖維進行深度加工以實現其平滑、光潔且高透明性特征，研究其作為有機透明導電薄膜襯底材料使用的可能。

目前將普通植物纖維材料透明化的主要技術是利用植物纖維在氧化或酶處理，再經聲波降解法加工相結合的方法來獲得納米級纖維素纖維，通過類似紙張抄造的方法來制備透明納米紙材料。透明納米紙材料具有其他紙、塑料、玻璃等不具有的諸多優勢，如材料具有綠色環保、很低的熱膨脹系數、表面光滑、輕巧方便、柔性易折疊、不易碎等。日本大阪大學產業科學研究所能木雅教授及其團隊采用TEMPO氧化和超聲處理開發了透明納米紙材料（厚度僅15nm），將植物纖維通過分解成納米級纖維素纖維，經過特殊過濾加工成型為透明納米紙材料，經過表面印刷導電物質制備柔性有機太陽能電池材料，在以標準導電薄膜條件下其光電轉換效率為3%。我國同濟大學黃佳教授也發展了以納米紙纖維為基礎的高透明柔性納米紙（光透射率達83.5%）[Jia?Huang,Hongli?Zhu,Yuchen?Chen,Colin?Preston,Kathleen?Rohrbach,John?Cumings,Liangbing?Hu.Highly?Transparent?and?Flexible?Nanopaper?Transistors[J].ACS?Nano,2013,7(3):2106–2113]，用來制備晶體管材料；研究表明當納米紙晶體管卷曲和折疊時，其電子遷移率近降低10%，有望作為新一代柔性綠色晶體管襯底材料。盡管目前國內外針對透明納米紙應用于透明導電薄膜襯底材料進行了大量理論研究，但納米紙的制備工藝極其復雜且價格昂貴，無法實現規模化生產，導致極少有工業化生產的報道。

采用細菌纖維素基透明薄膜作為柔性透明導電薄膜襯底材料，通過射頻磁控濺射加載ITO導電薄膜獲得在OLED器件；與透明玻璃基、SiO₂相比，透明細菌纖維素薄膜襯底的導電ITO薄膜具有相對較高的電阻率（9.0×10‐4Ω·cm）和較低的載流子濃度（5.8×1020cm^‐3）、霍爾遷移率（6.5cm²/V·s），但存在較低的可見光透射率（～40%）。隨著現代纖維素溶劑技術的推進，特別是近些年來綠色離子液體的發展，促進了纖維素及其新材料的發展。采用離子液體高溫或尿素/NaOH低溫溶解纖維素，并通過水或醇再生制備高透明的纖維素薄膜材料。這種透明纖維素再生材料也被用來考慮用作OLED導電透明薄膜襯底材料使用;通過溶解‐再生法制備的纖維素薄膜材料具有比玻璃或塑料襯底材料更好的表面光滑度（均方根粗糙度=～6.8nm）以及基本無纖維形態出現，具有納米紙相當的光學霾值（50%），比塑料（10%）高很多，且可見光透過率為85%（500nm波長），但該方法得到的再生纖維素薄膜存在機械性能和熱穩定性不足的問題，影響其在透明導電薄膜襯底材料應用。

發明內容

本發明專利的主要目的在于克服現有技術中透明紙材料的缺點，提供一種生產成本低廉，機械性能和熱穩定性良好的透明纖維素薄膜及其制備方法。