聚酰亚胺薄膜与ZnO-SnO2和石墨烯功能复合及其结构与性能研究

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柔性聚酰亚胺薄膜以其高强度、高模量、尺寸稳定性和可大面积化连续加工等诸多优点,成为功能化纳米复合薄膜的优选底材。金属氧化物半导体如ZTO或(ZnO-SnO2)以其很高的场效应迁移率、高的热稳定性、宽带隙、低价、平整性好和光电性能易调节等优点而受到极大关注。石墨烯作为一种具有较大比表面积和优异电子传导性能且具高导热和高强度的二维纳米碳材料,已被广泛用于复合材料性能的改进研究。本文选用均苯四酸酐(PMDA)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)、N,N’-二甲基乙酰胺(DMAc)合成聚酰胺酸。首先向PI前驱体PAA薄膜中载入两种金属离子Zn2+和Sn2+,随后通过热处理使PAA环化形成PI,载入的Zn2+和Sn2+在PI表面―原位‖形成PI/ZnO-SnO2复合薄膜。通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)对晶体形成过程进行了研究。在SnCl2和ZnCl2溶液中先后进行离子交换,随着热处理温度的逐渐升高,晶体结构越来越完善。在400℃下处理5小时,形成较完善的ZnO-SnO2晶体,同时在适当的离子交换时间和热处理温度下,可以形成连续的ZnO-SnO2晶体层。改变两种离子交换时间,观测两种离子的载入量,即Zn2+能够将先前置入的Sn2+置换出来,推测认为Zn2+的离子半径小于Sn2+的离子半径,随着离子半径的增加离子交换的量减少,因此Sn2+较容易被置换出来。PI/ZnO-SnO2复合薄膜基本保持了PI基体优异的热性能。同时复合薄膜展示了半导体的性能,表面电阻从13MΩ到20MΩ。在PAA薄膜的表面旋涂不同浓度的石墨烯溶液,在通N2的管式炉中热处理使PAA环化形成PI。实验中对复合薄膜的表面形貌、纳米粒子的形貌以及薄膜的相关性能进行了表征。通过XRD测试,说明聚酰亚胺表面旋涂上了石墨烯,并且石墨烯是以晶体形式存在于薄膜表面,聚酰胺酸的亚胺化过程没有影响到石墨烯的晶体形态。通过FTIR测试,发现复合薄膜仍呈现聚酰亚胺本体的结构特征。在聚酰亚胺表面复合石墨烯,有效的改善了聚酰亚胺薄膜表面的电导率,随着所旋涂的石墨烯浓度增加聚酰亚胺薄膜表面的电子自由移动能力增强,表面电阻越小。
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