利用碳纳米管掺杂的PEDOT薄膜的制备方法与流程

本发明属于能源材料领域，特别涉及一种基于碳纳米管掺杂提高导电聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)薄膜的制备方法，具体涉及一种利用碳纳米管掺杂的PEDOT薄膜的制备方法。

背景技术：

与传统无机导电材料相比，有机导电聚合物材料具有更好的延展性、可加工性以及更低的成本，因此具有广阔的研究前景。当前研究最多的是聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩三种导电聚合物及其衍生物。其中，前两种材料在应用时会对环境产生一定的影响；而PEDOT不仅对环境友好，而且是目前导电性能最优异的有机聚合物材料。由于聚噻吩具有优异的综合性能，因此已在许多领域得到广泛应用，如利用聚噻吩的光导电效应可以制备透明电极、利用非线性光学性质用于制备发光二极管、利用高导电性印制线路以及利用高稳定性制成电极材料等。将聚噻吩用于制备电极材料时，常见的薄膜制备方法有电化学聚合法、物理沉积法、化学气相沉积法以及原位聚合法。当在复杂表面制备PEDOT薄膜时，由于原位聚合法易填充微孔，所以是制备PEDOT薄膜的首选。

PEDOT原位聚合法是将EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩)单体和氧化剂等配制成的混合液涂覆在基底上，再将沾有混合液的基底在一定条件下反应聚合形成PEDOT薄膜。其优点是工艺简单，操作方便快捷，但缺点是PEDOT薄膜在水洗烘干后，由于力学性能差，会出现开裂现象，从而影响薄膜的导电性和固体钽电解电容器的性能。碳纳米管不仅具有良好的电学和化学性能，而且力学性能优异。本发明针对薄膜的脆性开裂问题，通过在混合液中掺杂多壁碳纳米管(MWCNTs)，从而提高PEDOT薄膜的导电性与韧性，解决薄膜开裂问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用碳纳米管掺杂的PEDOT薄膜的制备方法，解决PEDOT薄膜力学性能差、易开裂的问题。其方法是在使用一步原位聚合法制备PEDOT薄膜时，将MWCNTs掺杂于混合液中，利用MWCNTs优异的力学性能，提高PEDOT薄膜的强度与韧性，解决薄膜力学性能差、易开裂的问题。

本发明利用碳纳米管掺杂的PEDOT薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将原料EDOT(C6H6O2S)单体和氧化剂对甲苯磺酸铁(Fe(CH3C6H4SO3)3)按质量比C6H6O2S:Fe(CH3C6H4SO3)3＝1:8称量配料；

(2)将对甲基苯硫酸铁粉末放入烧杯中，加入甲醇并磁力搅拌使粉末充分溶解；

(3)向步骤(2)所得溶液中加入质量含量为2％-6％的MWCNTs，超声搅拌均匀；

(4)按步骤(1)中配比向溶液中加入EDOT单体，磁力搅拌均匀；

(5)将待生长PEDOT薄膜的基片清洗干净，烘干后冷却至室温；

(6)将混合液均匀涂覆在基片上，在60℃下进行聚合反应；

(7)反应结束后，使用去乙醇-离子水对基底进行清洗，除去反应副产物以及反应残留物，再烘干基底，在基底上可以看到形成的PEDOT薄膜；

(8)重复(1)～(7)步骤可以制备较厚的PEDOT薄膜。

所述步骤(1)的化学原料C6H6O2S的纯度为99％，Fe(CH3C6H4SO3)3的纯度为98％，步骤(2)中甲醇纯度为分析纯，步骤(3)中MWCNTs的纯度大于90％，步骤(7)中乙醇的纯度为分析纯。

有益效果

本发明中氧化剂/单体质量比为8:1时，EDOT单体能够充分氧化聚合，生成的PEDOT聚合物的链长达到最大化，使薄膜电导率达到最大值。通过在混合液中加入多壁碳纳米管，利用其优异的力学性能，能有效地解决由于液体张力以及PEDOT薄膜本身易碎特性造成的薄膜开裂问题。制备出的PEDOT薄膜相比于常规制备方法所得薄膜，具有平滑的表面。图2左图为本发明所制备的PEDOT薄膜，图2右图为常规方法制备的PEDOT薄膜，由图中可以看出薄膜开裂问题得到了有效地解决。

附图说明

图1为利用碳纳米管掺杂的PEDOT薄膜的制备方法流程图。

图2为本发明与常规方法制备PEDOT薄膜光学显微照片对比图：

(a)图为本发明所制备的PEDOT薄膜；

(b)图为常规方法制备的PEDOT薄膜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来对本发明做进一步的说明。

按照如图1所示的制备方法流程，将原料EDOT(C6H6O2S)单体和对甲基苯硫酸铁(Fe(CH3C6H4SO3)3)按质量比C6H6O2S:Fe(CH3C6H4SO3)3＝1:8称量配料，将配置好的粉末放入烧杯中，加入甲醇并磁力搅拌使粉末充分溶解；将所得溶液等量置于4个烧杯中，向烧杯中分别加入不等量的MWCNTs，超声搅拌均匀，使MWCNTs分别占混合溶液质量分数的0％、2％、4％、6％；将待生长PEDOT薄膜的基底清洗干净，烘干后冷却至室温；将混合液均匀涂覆在基底上，在60℃下进行聚合反应；反应结束后，使用去乙醇-离子水对基底进行清洗，除去反应副产物以及反应残留物，再烘干基底，在基底上可以得到形成的PEDOT薄膜。最后用光学显微镜检测薄膜是否开裂，并用四探针测试仪测试电导率。

本发明加入MWCNTs实施例的各项关键参数及检测结果详见表1。

表1不同含量MWCNTs实施例的电导率

实验结果表明，在MWCNTs含量在6wt％时，PEDOT/MWCNTs复合膜的电导率达到最大值73.0S/cm。如图2所示，薄膜具有良好的完整性，有效地解决了薄膜力学性能差、易开裂的问题。

本发明测试方法和检测设备如下：样品的电导率利用四探针测试仪测量。