基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜及其应用，即利用短切碳纤维(日本东邦人造丝产3K碳纤维、短切3mm)与纯棉纤维混合湿法抄造制取可导电的纸张；继而对纸张纤维匀整化处理(30％纯碱溶液处理24小时)，使碳纤维在纸张中形成均匀的网格，同时由于棉纤维的膨胀过程，增加了透明剂的渗透性；对纸张真空辅助浸渍透光剂，排除纸页中的空气，使透光剂充分浸润纸张，获得良好的透光效果。通过上述方式，本发明专利技术能够使纸张兼有了导电性和透光性(透光率>70％)的双重性能，从而可以用于透明导电电极材料使用，在光伏电池、冷光片、触摸屏等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜及其应用
本专利技术涉及新材料领域，特别是涉及一种透明柔性导电膜材料及其应用。
技术介绍
透明导电膜(transparentconductivefilm，简称TCF)，又称透明电极，最主要的应用是代替氧化铟锡(indiumtinoxide-ITO)膜，还有其他铝掺杂氧化锌(aluminiumdopedzincoxide-AZO)膜等。透明导电膜在高透光下同时具有导电性，是光电领域中不可或缺的重要工业基础材料。随着光电子器件逐渐向大尺寸、轻薄、柔性、低成本方向发展，对高性能的柔性及可拉伸透明导电膜的需求增长迅速。如今，透明电极大多数都是由ITO制成。相对于玻璃而言，ITO具有高达92％的透明度。虽然ITO薄膜高度透明，但是它必须经过仔细地处理从而实现可重现的特性。此外，ITO又硬又脆，遭受弯曲时容易破裂，不太适合柔性电子产品。柔性电子崛起的产业趋势已日趋明朗，柔性显示器、柔性照明、柔性太阳能电池、柔性传感器等产品已经逐渐从实验室走向市场。在市场需求的拉动下，具有可挠性、高光穿透度、高导电度的软性透明导电膜是许多柔性光电产品的基础。因此，柔性透明导电膜将会成为柔性光电产品的战略性材料。理论上一种材料同时具有高光穿透率、高导电率与可挠曲特性比较困难。近年来，软性透明导电膜的研究趋势是：在透过材料设计如金属薄膜、氧化物/薄金属/氧化物(Dielectric/thinMetal/Dielectric，Dacron/Mylar/Dacron-DMD)复合材料结构、掺杂具共轭键的有机导电高分子(OrganicConductivePolymer)；具有导电性的导电碳材料，如石墨烯(Graphene)、碳纳米管(CarbonNanotube，CNT)；或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格(MetalMesh)、金属网络(MetalWeb)，都可制成软性透明导电膜。但利用这些材料，量产制程的复杂度与软性透明导电膜的成本息息相关，薄金属膜与氧化物/金属薄膜/氧化物都是真空镀膜制程，设备与制造成本最高；纳米碳管、石墨烯的干式转移制程特殊，须要开发新的设备；蚀刻法的金属网格，曝光、显影、蚀刻、剥膜的黄光设备昂贵；印刷法的金属网格将黄光图案化的制程以印刷来取代，预计可以再简化图案化设备投资，但是须增加低温烧结的制程与设备；涂布型纳米碳管涂布成膜后须做掺杂处理，石墨烯在氧化石墨烯涂布成膜后须还原处理，设备与制造成本都很高。
技术实现思路
为了实现ITO薄膜高度透明，必须经过仔细地处理从而实现可重现的特性，而且ITO又硬又脆，遭受弯曲时容易破裂，不太适合柔性电子产品，为了解决上述问题，并且同时解决新设计材料量产制程的复杂度与软性透明导电膜的成本息息相关的问题，本专利技术提供一种基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜材料的工艺过程及其制造技术。本专利技术采用的一个技术方案是，一种基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜，所述导电膜是由下述方法制得的：(1)将纯棉浆粕与短切碳纤维混合打浆，经造纸机湿法抄造纸页成型，获得导电纸；(2)将导电纸进行纤维匀整化处理；(3)透光处理，采用真空辅助浸渍透光剂。本专利技术利用短切碳纤维与纯棉纤维混合湿法抄造制取可导电的纸张，纸张中碳纤维的比例越高，电导率越高(即方块电阻越小)；继而对纸张纤维匀整化处理，使碳纤维在纸张中形成均匀的网格，由于棉纤维的膨胀对纸张透明剂渗透性增加；对纸张真空辅助浸渍透光剂，排除纸页中的空气，使透光剂充分浸润纸张，获得良好的透光效果。进一步而言，本专利技术采用的碳纤维是日本东邦人造丝产3K碳纤维、短切3mm。进一步，纯棉浆粕和短切碳纤维混合打浆2.5h；碳纤维占总浆粕的比例不超过5％。进一步，匀整化处理是指纸张在用碱液处理，优选，用30％纯碱溶液处理24小时，或10％的烧碱液处理10分钟。通过上述方式，本专利技术能够使纸张兼有了导电性和透光性(透光率>70％)的双重性能。本专利技术还可以采取如下措施进一步提高透光率：降低纸张定量、确定适宜的纸页中纯棉纤维与短切碳纤维的配比(权衡导电性能与透光性能的要求)、选择或研制与纤维遮光系数一致的透光剂、强力压光等技术手段，可进一步提高透光率。本专利技术的有益效果是：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜，可以用于柔性透明导电电极材料，在光伏电池、冷光片、触摸屏等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的工艺流程示意图；图2：导电纸纤维匀整化处理时内部推动力示意图，其中A为棉纤维，B为短切碳纤维。图3：导电纸纤维匀整化处理前后纤维分布状态对比，其中a为匀整化处理前，b为匀整化处理后；图4：经纤维匀整化处理后的导电纸，实施透光剂前后纤维的分布状态对比，其中a为实施透光剂前，b为实施透光剂后；图5：真空辅助浸渍工艺示意图；图6：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜(展示的试样为普通清漆涂覆)；图7：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的压电发生器结构示意图；图8：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的冷光板结构示意图；图9：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的冷光板；图10：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜柔性触摸屏，其中a为基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜柔性触摸屏背面(加载电容变化信号处理模块)，b为基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜柔性触摸屏前面；图11：基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的触摸前后电容变化情况，其中a为触摸前，b为触摸后。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。本专利技术的基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的工艺流程具体参见图1的示意图。1、基于碳纤维的导电纸的制造基于碳纤维的导电纸的理论依据是：碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维，其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的微观类似人造石墨，是乱层石墨结构，而且单层石墨结构主要沿碳纤维长丝方向排布、延伸。因而在碳纤维长丝方向其结构类似石墨结构，因而具有良好的导电和导热性能。其导热系数一般在0.025-0.09卡/cm·s·℃，电阻率在0.8-1.6×10-3Ω·cm。在本示例中共制作了4个试样，其制造方法是将纯棉浆粕与短切碳纤维混合打浆2.5小时，经造纸机湿法抄造纸页成型，纸张定量为40g/m2。不同碳纤维含量的碳纤维导电纸的导电性能如表1所示。表1：不同碳纤维含量的碳纤维纸导电性能编号CFP-01CFP-02CFP-03CFP-04碳纤维含量(％)2.02.53.05.0方块电阻(Ω/cm2)1.78751.25981.04500.0590...

【技术保护点】
1.一种基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜，其特征在于，所述导电膜由棉纤维、短切碳纤维制成；所述基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的制备方法包括如下步骤：(1)将纯棉浆粕与短切碳纤维混合打浆2.5小时，经造纸机湿法抄造纸页成型，获得导电纸；(2)将导电纸进行纤维匀整化处理；(3)透光处理，采用真空辅助浸渍透光剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜，其特征在于，所述导电膜由棉纤维、短切碳纤维制成；所述基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的制备方法包括如下步骤：(1)将纯棉浆粕与短切碳纤维混合打浆2.5小时，经造纸机湿法抄造纸页成型，获得导电纸；(2)将导电纸进行纤维匀整化处理；(3)透光处理，采用真空辅助浸渍透光剂。


2.根据权利要求1所述的导电膜，其特征在于，所述纤维匀整化处理是将导电的纸张浸泡在30％的纯碱溶液中24小时。


3.根据权利要求1所述的导电膜，其特征在于，所述纤维匀整化处理是将导电的纸张浸泡在10％的烧碱溶液中10分钟。


4.根据权利要求1所述的导电膜，其特征在于，所述的基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的透光率大于70％。


5.一种基于碳纤维的纸基柔性透明导电膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将纯棉浆粕与短切碳纤维混合打浆2.5小时，经造纸机湿法抄造纸页成型，获得导电的纸张；(2)将导电的纸张匀整化处理；(3)透光处理，采用真空辅助浸渍透光剂方法。


6.根据权利要求5所述的导电膜，其特征在于，所述匀整化处理是将导电的纸张浸泡在30％的纯碱溶液中24小时；或是将导电的纸张浸泡在10％的烧碱溶液中10分钟。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王北亭，张泽怀，王霄飞，
申请(专利权)人：北京碧岩特种材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11