一种高性能PEDOT:PSS薄膜及其制备方法

一种高性能pedot:pss薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及医疗器械、微纳加工和印刷电子技术领域，具体地说，涉及一种高性能pedot:pss薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.柔性电子印刷技术是一种新兴的微纳制造技术，包括通过喷墨印刷、丝网印刷、凸版印刷、凹版印刷等技术将特定材料印刷、打印至柔性基板形成具有一定功能的结构，制作速度快，流程简短。主体材料一般为光学墨水或电子墨水，基底一般为有机柔性基底。柔性电子印刷技术降低了电子器件制作的难度，减少了制作周期，能够快捷的定制电子器件，其所制备的器件柔韧性高，可折叠，可应用于柔性光电器件、柔性储能、柔性医疗电子、柔性印刷电路板等领域。
3.柔性光电器件具有抗弯折的优点，相对应的要求其电极需要具有抗弯折的特点。目前常用的透明导电电极主要为氧化铟锡(ito)，具有较高的导电性和透射率，但其抗弯折能力不高，多次弯折后，性能将大幅度降低。聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot:pss)具有较高的柔韧性，高透射性、导电性，成为制备光电器件电极的另一个选择。然而目前的pedot:pss的导电性能远低于ito，因此有必要优化制备pedot:pss薄膜的工艺，获得更高性能的透明pedot:pss电极。
4.刮涂印刷技术是无版印刷的一种，结合相应材料的墨水可以快速制备薄膜。但其相关影响参数众多，且存在相互影响因素，若全面测试所有实验组则实验量庞大。如针对4因素、4水平(即4个影响因素，每个影响因素包含4个水平)的实验，需要进行256次实验才能测完所有组合；若针对单一因素进行实验则忽略了各因素之间的相互影响，各因素最佳水平的组合不一定是整个实验组的最佳组合。因而需要一个适合的、可以全局分析的实验方式用于优化实验过程。
5.正交实验设计是一种是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。通过分析所选的实验组性能可以预测优化的方向及最优的参数组合。
6.根据对现有技术的检索发现，李晓鹏等人公开了一种基于飞秒激光改性的导电高分子pedot:pss降阻方法，发明专利申请号：cn202011512381.3。该专利是利用匀胶机在洁净的基底材料上旋涂制备pedot:pss薄膜的，导电特性是通过去除pss来进行优化的，并且不能图形化。
7.综上所述，虽然对pedot:pss薄膜的制备研究得到了一定的进展，但是文献中未见报道基于刮涂印刷技术制备高导电的pedot:pss薄膜。


技术实现要素：

8.本发明针对一种透明高性能pedot:pss薄膜，公开了一种高性能pedot:pss薄膜的
制备方法。其通过正交实验设计得出实验影响因素的重要程度及因素之间的相互影响关系，在一定范围内获得制备透明薄膜电极的优选和最佳参数组合，其方法简单，计算量少，可方便快捷的制备出具有高性能的高柔性光电器件电极，且利于重复实施。
9.本发明是通过以下技术方案实现的：
10.本发明提供一种高性能pedot:pss薄膜的制备方法，具体步骤如下：
11.(1)首先根据刮涂及相应后处理方式，设定pedot:pss薄膜制备中的影响参数以及影响参数的水平；
12.(2)基于pedot:pss薄膜制备中的影响参数和水平，设计正交实验表；
13.(3)根据正交实验表进行制备薄膜的实验，并测量薄膜的性能；
14.(4)针对正交实验薄膜的性能结果，分析各影响参数各水平的综合平均值k及极差值r，获得理论优选和最优参数水平组合；其中，k值为含有该水平的所有性能指标的平均值，k值最小的水平表示该影响参数的最优水平，对于某一影响参数，其极差r值为该影响参数各水平最大k值与最小k值的差，极差r表示各影响参数对性能的影响大小；
15.(5)采用理论优选和最优参数水平组合再次进行制备薄膜的实验，获得高性能pedot:pss薄膜。
16.优选的，步骤(1)中，设定刮涂薄膜性能的影响参数包含刮涂速度、刮涂高度、基底温度和后处理温度。
17.优选的，步骤(1)中，各影响参数的水平设置个数相同，个数在3-5个之间，其中，刮涂速度的范围在5-20mm/s之间，刮涂高度在80-180μm之间，基底温度在30-60℃之间，后处理温度在80-200℃之间。进一步优选的，刮涂速度：6mm/s、8mm/s、10mm/s、12mm/s；刮涂高度：100μm、120μm、140μm、160μm；基底温度：35℃、40℃、45℃、50℃；后处理温度：100℃、120℃、140℃、160℃。
18.优选的，步骤(3)中，使用过滤头将pedot:pss墨水注入到试管中并安装好刮涂装置，设定好刮涂参数及后处理参数，完成正交表中的实验。
19.优选的，步骤(3)中，薄膜的性能用薄膜方阻评价。
20.优选的，根据步骤(4)中的各影响参数各水平的综合平均值k和极差值r，可以优化pedot:pss薄膜制备实验中的影响参数和水平设置，进行pedot:pss薄膜制备实验条件优化。
21.本发明进一步提供基于上述制备方法制备得到的高性能pedot:pss薄膜。
22.和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
23.本发明通过设定刮涂工艺制备pedot:pss薄膜性能的影响因素，使用正交实验设计的方法设计正交实验表、制备薄膜、测量性能，再通过对简单、的数据分析获得理论最优的参数组合，制备高性能的pedot:pss薄膜，从而提高柔性光电器件的光电性能。
具体实施方式
24.下面对本发明的实施例作具体说明，本实施例基于allpairs程序获得正交实验表，根据正交实验表进行试验获得各参数组合制备的pedot:pss薄膜性能，然后计算各因素水平的k值及r值，在分析后得到最优参数组合并制备相应的高性能薄膜。
25.下面结合实施例对本发明作详细的说明。
26.实施例1
27.所述的高性能pedot:pss薄膜的制备方法如下：
28.首先设定pedot:pss薄膜制备中的影响参数为：刮涂高度、刮涂速度、基底温度、后处理温度。并分别设定参数的4个水平。设定结果如下：刮涂速度：6mm/s、8mm/s、10mm/s、12mm/s；刮涂高度：100μm、120μm、140μm、160μm；基底温度：35℃、40℃、45℃、50℃；后处理温度：100℃、120℃、140℃、160℃。
29.然后通过正交实验设计设定正交实验表，也可通过正交实验设计程序allpairs自动设计正交实验表，设定正交实验表l16(44)，其中底数4表示参数的水平数，指数4表示参数的个数，l16表示实验的次数，在行数为mn型的正交表中(m，n是正整数)，试验次数(行数)＝σ(每列水平数-1)+1，对于本次实验即所选正交表行数不得低于13次，选用正交表l16(44)。
30.表1为正交实验表l16(44)。
[0031][0032][0033]
表1正交实验表
[0034]
使用0.45μm的过滤头将pedot:pss墨水注入到试管中并安装好刮涂装置，设定好刮涂参数后在pet基底上进行刮涂，其中刮刀长度为40mm，刮涂面积为40mm
×
40mm，完成刮涂后在热板上进行加热后处理，使用四探针测试仪测得薄膜方阻并记录，重复实验直到完
成正交表中所有实验。其中方阻为1时表示超出一起测量范围。
[0035]
表2为正交实验各参数组合数据。
[0036][0037][0038]
表2正交实验各参数组合数据
[0039]
然后根据测得的数据计算各因素水平的综合平均值k及各因素的极差值r，其中对于某一因素的一个水平，其k值为含有该水平的所有薄膜方阻的平均值；对于某一因素，其r值为该因素各水平最大k值与最小k值的差。表3为各参数水平的k值及r值。
[0040][0041]
表3各参数水平的k值及r值
[0042]
接着分析各参数水平的k值及r值获得理论最优参数组合：刮涂速度：6mm/s；刮涂高度：160μm；基底温度：35℃；后处理温度：140℃。再次进行实验后获得薄膜方阻为61.22kω/
□
的pedot:pss薄膜。
[0043]
通过r值可知4个影响因素中后处理温度影响最大，刮涂高度、基底温度和刮涂速度影响依次降低，由后处理温度的k值可知在120～160之间存在理论方阻的最小值，通过控制其余变量，设定后处理温度在120～160℃之间取多个水平进行实验，最终得出最佳后处理温度水平为150℃。同理，在对其余因素进行实验后得刮涂速度：6mm/s；刮涂高度：160μm；基底温度：常温(20℃)；后处理温度：150℃。
[0044]
综上所述，本发明利用上述设计方法与数据，制备得到的高性能pedot:pss薄膜，具有电阻低、均匀性好的优点。
[0045]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。