[发明专利]一种石墨烯和金属纳米线复合透明导电塑料薄膜及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯和纳米材料复合薄膜领域，具体涉及一种石墨烯和金属纳米线复合透明导电塑料薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

透明导电薄膜是各种光电子器件(如触摸屏、有机太阳能电池和有机发光二极管等)的重要组成部分。氧化铟锡(ITO)具有良好的透光性和导电性，是工业上应用最为广泛的透明导电薄膜材料。但是ITO的一些缺陷，如自身的脆性、金属铟较低的丰度、低的红外透光性以及较昂贵的制备过程，限制了ITO更广泛的应用。金属纳米线(MNWs，如银纳米线Ag NWs和铜纳米线Cu NWs)导电薄膜，由于具有良好的透光性和导电性，柔性，以及溶液法较低的制备成本，有望成为一种替代ITO的材料。但是金属纳米线具有粗糙的表面，对基底有较低的粘附性，较大的结区电阻，较差的抗腐蚀能力，这些都是其走向应用需要克服的难题。此外，石墨烯(graphene)也被认为是一种可能替代ITO的透明导电材料，其在从可见光至远红外范围内保持良好的透光性，吸光率仅为2.23％，而且具有优异的柔韧性以及抗化学腐蚀性。石墨烯作为透明导电材料的缺点在于其面电阻较大，虽然能通过化学掺杂的方法提高其导电性，但是非常不稳定，不适用于长期的应用。

因此，能否同时利用金属纳米线的优异的导电性和石墨烯良好的抗环境腐蚀能力，制备同时具有良好透光性和导电性、优异的柔性、环境稳定的透明导电薄膜，并直接加工在柔性透明塑料衬底上制成导电透明塑料，成了透明导电薄膜领域亟待解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯和金属纳米线复合透明导电塑料薄膜及其制备方法，该制备方法可实现卷对卷宏量制备。

本发明所提供的石墨烯和金属纳米线复合透明导电塑料薄膜的制备方法包括如下步骤：

1)利用化学气相沉积法在铜基底上沉积石墨烯，得到铜基底/石墨烯薄膜复合结构；

2)在塑料衬底表面涂布金属纳米线，即可得到金属纳米线/塑料衬底复合塑料膜；

3)将所述铜基底/石墨烯薄膜复合结构中的石墨烯薄膜和所述金属纳米线/塑料衬底复合塑料膜中的金属纳米线贴合，热压印，得到铜基底/石墨烯薄膜/金属纳米线/塑料衬底复合结构；

4)采用电化学鼓泡方法去除所述铜基底/石墨烯薄膜/金属纳米线/塑料衬底复合结构中的铜基底，即可得到石墨烯薄膜/金属纳米线/塑料衬底复合薄膜，即所述石墨烯和金属纳米线复合透明导电塑料薄膜。

上述制备方法中，步骤1)中，所述铜基底具体可为铜箔，纯度大于99.9％，厚度为12μm-25μm，具体可为18μm。

所述化学气相沉积法中，反应温度为900-1000℃，氢气流量为1-5sccm，碳源具体可为甲烷，所述甲烷的流量为5-36sccm。

当采用铜箔裁规格为10cm x 5m(宽度x长度)，铜箔的运转速率为1r/min时，利用所述化学气相沉积法中的反应条件反应时间为5min-10min，即可制备得到沉积在铜基底表面的石墨烯薄膜。

所述铜基底/石墨烯薄膜复合结构中的石墨烯薄膜为高质量的单层石墨烯薄膜。

所述利用化学气相沉积法来制备石墨烯具体可以在图1所示化学气相沉积系统中进行，实现石墨烯在铜基底(如：铜箔)上卷对卷连续化制备。该化学气相沉积系统主要由气体供应系统，高温生长系统(如：高温管式炉)，运转系统，低压系统等部分构成，所述铜箔的运转速率为0-5r/min，但不为0，所述运转系统由步进电机和进出样转子构成。

上述制备方法中，步骤2)中，所述塑料衬底可为商品化应用的热裱膜，可用于太阳能光伏组件背板膜与封装胶膜。

具体可选自如下任意一种：聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙烯-醋酸乙烯共聚物(PET/EVA)高分子透明薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚甲基丙烯酸甲酯高分子透明薄膜、聚碳酸酯/乙烯-醋酸乙烯共聚物高分子透明薄膜、聚碳酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯高分子透明薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯/乙烯-醋酸乙烯共聚物高分子透明薄膜和聚萘二甲酸乙二醇酯/聚甲基丙烯酸甲酯高分子透明薄膜，优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙烯-醋酸乙烯共聚物(PET/EVA)高分子透明薄膜，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯的厚度为35-75μm，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的厚度为35-50μm。

所述塑料衬底在使用之前还包括用空气等离子体处理塑料衬底表面的步骤，以提高其表面的亲水性，以得到均匀分散的纳米线薄膜，所述空气等离子体处理的功率具体可为90W，时间具体可为2min。