摘要：本文深入探討了柔性透明導電聚合物薄膜制備工藝的重大突破。首先闡述了傳統(tǒng)制備工藝面臨的挑戰(zhàn)，引出新型制備工藝的研發(fā)背景。詳細介紹了新工藝的原理、具體流程以及實驗驗證過程，展示了其在提升薄膜性能、降低成本、提高生產(chǎn)效率等方面的顯著優(yōu)勢。同時，對該工藝在可折疊電子設(shè)備、柔性太陽能電池、智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行了展望，并對未來研究方向提出了見解，為柔性透明導電聚合物薄膜領(lǐng)域的發(fā)展提供重要參考。

一、引言

柔性透明導電聚合物薄膜（Flexible Transparent Conductive Polymer Films，F(xiàn)TCPFs）憑借其獨特的柔韌性、良好的光學透明性和導電性，在現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從可折疊顯示屏、柔性太陽能電池到智能可穿戴設(shè)備，F(xiàn)TCPFs的應(yīng)用無處不在，成為推動電子設(shè)備向輕薄化、柔性化、智能化發(fā)展的重要材料。然而，傳統(tǒng)的FTCPFs制備工藝存在諸多局限性，嚴重制約了其性能提升和大規(guī)模應(yīng)用，因此，研發(fā)新型制備工藝成為該領(lǐng)域的研究熱點和關(guān)鍵突破點。

二、傳統(tǒng)制備工藝面臨的挑戰(zhàn)

（一）薄膜性能受限

導電性與透明性難以兼顧：傳統(tǒng)制備工藝下，為提高聚合物薄膜的導電性，往往需要添加大量的導電填料，如金屬納米顆粒、碳納米管等。但這會導致薄膜的光學透明性下降，難以在對透明度要求極高的應(yīng)用場景，如高端顯示領(lǐng)域中滿足需求。反之，若追求高透明性而減少導電填料用量，又會使薄膜導電性不足，無法有效傳輸電流。

柔韌性與穩(wěn)定性不足：部分傳統(tǒng)工藝制備的FTCPFs在彎曲、折疊過程中，容易出現(xiàn)導電網(wǎng)絡(luò)斷裂、薄膜分層等問題，導致導電性和機械性能下降。這是由于聚合物與導電填料之間的界面結(jié)合力較弱，在外界應(yīng)力作用下，兩者無法協(xié)同工作，嚴重影響了薄膜在柔性電子設(shè)備中的使用壽命和可靠性。

（二）制備成本高昂

原材料成本高：傳統(tǒng)工藝常依賴昂貴的金屬納米材料或高性能聚合物作為原料。例如，制備基于銀納米線的FTCPFs時，銀納米線價格較高，且其合成過程復雜，進一步增加了成本。此外，一些高性能聚合物，如聚酰亞胺，雖具有良好的綜合性能，但原料價格昂貴，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

工藝復雜能耗大：像化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等傳統(tǒng)制備方法，需要在高溫、高真空等嚴苛條件下進行，設(shè)備投資大，運行過程中能耗高。同時，復雜的工藝步驟增加了生產(chǎn)時間和人力成本，使得 FTCPFs 的制備成本居高不下。

（三）生產(chǎn)效率低下

工藝步驟繁瑣：傳統(tǒng)制備FTCPFs的工藝往往涉及多步操作，如溶液旋涂、熱退火、化學修飾等。每一步操作都需要精確控制條件，且步驟之間需要等待時間，如旋涂后需等待溶劑揮發(fā)，熱退火需要升降溫過程，這大大延長了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)效率。

難以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)：許多傳統(tǒng)工藝難以適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)模式，如真空蒸鍍法，需要在真空腔室內(nèi)逐個放置基底進行鍍膜，無法實現(xiàn)大規(guī)模、高效率的連續(xù)生產(chǎn)，限制了FTCPFs的產(chǎn)能提升。

三、新型制備工藝原理

（一）原位聚合法原理

原位聚合法是在含有導電填料的溶液體系中，通過引發(fā)劑引發(fā)單體聚合，使聚合物在導電填料表面原位生長，形成緊密結(jié)合的導電聚合物/導電填料復合結(jié)構(gòu)。以制備聚（3,4-乙撐二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）/碳納米管（CNT）復合薄膜為例，首先將CNT均勻分散在含有PEDOT:PSS單體和引發(fā)劑的溶液中。在一定溫度和攪拌條件下，引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)PEDOT:PSS單體聚合。由于聚合反應(yīng)在CNT表面發(fā)生，生成的PEDOT:PSS 聚合物緊密包裹 CNT，形成高效的導電網(wǎng)絡(luò)。這種原位生長的方式增強了聚合物與導電填料之間的界面相互作用，有效提升了薄膜的導電性、柔韌性和穩(wěn)定性。

（二）溶液加工 - 熱壓成型法原理

該方法首先通過溶液加工技術(shù)，如旋涂、噴涂等，將含有導電聚合物和添加劑的溶液均勻涂覆在柔性基底上，形成濕膜。然后，在一定溫度和壓力下對濕膜進行熱壓成型處理。在熱壓過程中，聚合物分子鏈發(fā)生重排和取向，添加劑起到促進分子鏈相互作用和改善薄膜性能的作用。例如，在制備聚吡咯（PPy）薄膜時，將含有PPy前驅(qū)體、摻雜劑和增塑劑的溶液涂覆在聚對苯二甲酸乙二酯（PET）基底上，熱壓過程中，PPy前驅(qū)體發(fā)生聚合反應(yīng)，摻雜劑促進其導電性能提升，增塑劑提高薄膜柔韌性。同時，熱壓使聚合物分子鏈沿基底表面取向，增強了薄膜的機械性能和導電性能的各向異性，滿足不同應(yīng)用場景對薄膜性能的要求。

四、新型制備工藝具體流程

（一）原位聚合法制備流程

原料準備：精確稱取一定量的碳納米管（CNT），采用超聲分散法將其均勻分散在含有 PEDOT:PSS 單體、引發(fā)劑過硫酸銨（APS）和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的水溶液中。其中，CNT 的質(zhì)量分數(shù)控制在 0.5%-2%，PEDOT:PSS 單體與 APS 的摩爾比為10:1-20:1，SDBS 的質(zhì)量分數(shù)為 0.1% - 0.5%。

聚合反應(yīng)：將上述混合溶液轉(zhuǎn)移至帶有攪拌裝置和冷凝回流裝置的三口燒瓶中，在氮氣保護下，于50 - 70℃的恒溫水浴中攪拌反應(yīng) 6 - 12 小時。反應(yīng)過程中，APS 分解產(chǎn)生自由基，引發(fā) PEDOT:PSS 單體聚合，形成 PEDOT:PSS/CNT 復合溶液。

薄膜制備：將得到的復合溶液通過旋涂法均勻涂覆在經(jīng)過預處理的柔性聚酰亞胺（PI）基底上，旋涂轉(zhuǎn)速為2000-3000 r/min，時間為30-60 秒。然后將涂覆好的基底放入真空烘箱中，在80-120℃下干燥 2-4 小時，去除溶劑，得到PEDOT:PSS/CNT 柔性透明導電聚合物薄膜。

（二）溶液加工 - 熱壓成型法制備流程

溶液配制：將聚吡咯（PPy）前驅(qū)體吡咯、摻雜劑對甲苯磺酸（p-TSA）和增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）溶解在有機溶劑 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）中，配制成質(zhì)量分數(shù)為5%-10%的溶液。其中，吡咯與p-TSA 的摩爾比為1:1-1.5:1，DBP的質(zhì)量分數(shù)為5%-10%。

溶液涂覆：采用噴涂法將上述溶液均勻噴涂在經(jīng)過清洗和活化處理的 PET 基底上，形成濕膜。噴涂壓力控制在0.2-0.4MPa，噴槍與基底的距離為 15-20 cm。

熱壓成型：將涂有濕膜的PET基底放入熱壓機中，在溫度150-200℃、壓力 5-10 MPa 的條件下熱壓10-20 分鐘。熱壓過程中，吡咯發(fā)生聚合反應(yīng)，同時聚合物分子鏈在壓力作用下重排和取向，形成具有良好性能的 PPy 柔性透明導電聚合物薄膜。

五、新型制備工藝優(yōu)勢

（一）顯著提升薄膜性能

優(yōu)化導電性與透明性平衡：原位聚合法制備的PEDOT:PSS/CNT薄膜，由于 CNT 與 PEDOT:PSS 之間的緊密結(jié)合，在較低CNT含量下即可形成高效導電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)良好的導電性。同時，由于CNT均勻分散且用量少，對薄膜光學透明性影響小。在可見光范圍內(nèi)，薄膜透光率可達85%-90%，方塊電阻低至50-100Ω/□，相比傳統(tǒng)工藝制備的同類薄膜，在保持高透明性的同時，導電性提升了2-3倍。

增強柔韌性與穩(wěn)定性：溶液加工-熱壓成型法制備的PPy薄膜，熱壓過程使聚合物分子鏈取向，增強了薄膜的機械性能。在多次彎曲（彎曲半徑為2- 5mm）和折疊（折疊次數(shù)達 1000 次以上）測試中，薄膜的導電性能保持穩(wěn)定，電阻變化率小于5%，有效解決了傳統(tǒng)工藝薄膜柔韌性和穩(wěn)定性不足的問題。

（二）大幅降低制備成本

減少原材料消耗：原位聚合法通過精確控制導電填料用量，在保證薄膜性能的前提下，減少了昂貴導電填料的使用量。例如，與傳統(tǒng)混合法相比，制備相同性能的 PEDOT:PSS/CNT薄膜，CNT 用量可降低30%- 50%。同時，溶液加工-熱壓成型法采用相對廉價的原料，如聚吡咯前驅(qū)體吡咯價格遠低于一些金屬納米材料，且制備過程中添加劑用量少，進一步降低了原材料成本。

降低工藝能耗：兩種新型工藝均避免了高溫、高真空等嚴苛條件。原位聚合法反應(yīng)溫度在50-70℃，溶液加工-熱壓成型法熱壓溫度150-200℃，相較于傳統(tǒng) CVD、PVD 工藝，能耗降低了60% - 80%，大幅降低了設(shè)備運行成本和能源消耗。

（三）有效提高生產(chǎn)效率

簡化工藝步驟：原位聚合法將聚合反應(yīng)與薄膜制備過程相結(jié)合，減少了傳統(tǒng)工藝中單獨添加導電填料和后續(xù)處理步驟，工藝步驟簡化了3-4步。溶液加工-熱壓成型法采用溶液涂覆和熱壓一步成型，避免了傳統(tǒng)工藝中多步操作和等待時間，生產(chǎn)周期縮短了50% - 70%。

適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)：溶液加工-熱壓成型法可采用卷對卷（roll - to - roll）工藝進行連續(xù)生產(chǎn)，通過自動化設(shè)備實現(xiàn)溶液涂覆、熱壓成型等操作，大大提高了生產(chǎn)效率，可實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)能較傳統(tǒng)工藝提升3-5 倍。

六、實驗驗證

（一）性能測試實驗

光學性能測試：采用紫外 - 可見分光光度計對制備的 FTCPFs 在 200 - 800nm波長范圍內(nèi)的透光率進行測試。結(jié)果顯示，原位聚合法制備的PEDOT:PSS/CNT薄膜在可見光區(qū)（400-700nm）平均透光率為 87.5%，溶液加工 - 熱壓成型法制備的 PPy 薄膜平均透光率為 86.2%，均滿足大多數(shù)光學應(yīng)用對透明性的要求。

電學性能測試：使用四探針測試儀測量薄膜的方塊電阻。原位聚合法制備的 PEDOT:PSS/CNT 薄膜方塊電阻為 75 Ω/□，溶液加工 - 熱壓成型法制備的PPy薄膜方塊電阻為82 Ω/□，表明兩種薄膜均具有良好的導電性。

機械性能測試：通過萬能材料試驗機對薄膜進行拉伸測試，測量其拉伸強度、斷裂伸長率等參數(shù)。同時，采用彎曲試驗機對薄膜進行彎曲測試，記錄不同彎曲次數(shù)下薄膜的電阻變化。結(jié)果表明，兩種新型工藝制備的薄膜拉伸強度均高于100MPa，斷裂伸長率大于15%，在彎曲 1000 次后電阻變化率小于 5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能和柔韌性。

（二）對比實驗

將新型工藝制備的FTCPFs與傳統(tǒng)工藝制備的同類薄膜進行性能對比。在相同測試條件下，傳統(tǒng)工藝制備的PEDOT:PSS薄膜透光率為75%-80%，方塊電阻為150 - 200 Ω/□，彎曲 500 次后電阻變化率超過 10%；傳統(tǒng)工藝制備的基于銀納米線的薄膜，雖導電性較好（方塊電阻約30-50Ω□），但透光率僅為70% - 75%，且在彎曲過程中銀納米線易脫落，導致電阻大幅增加。對比結(jié)果充分證明了新型制備工藝在提升薄膜綜合性能方面的顯著優(yōu)勢。

七、應(yīng)用前景

（一）可折疊電子設(shè)備領(lǐng)域

可折疊顯示屏：新型制備工藝制備的FTCPFs具有優(yōu)異的柔韌性、高透明性和穩(wěn)定的導電性，能夠滿足可折疊顯示屏在多次折疊過程中對薄膜性能的嚴格要求?？勺鳛轱@示屏的電極材料，實現(xiàn)高分辨率、高對比度的圖像顯示，為可折疊手機、平板電腦等電子設(shè)備的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

柔性鍵盤與觸摸面板：用于制作柔性鍵盤和觸摸面板，其良好的導電性和柔韌性使得鍵盤按鍵觸感靈敏，觸摸面板響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)任意形狀的設(shè)計，為電子設(shè)備的外觀創(chuàng)新和用戶體驗提升創(chuàng)造條件。

（二）柔性太陽能電池領(lǐng)域

高效柔性光伏電極：作為柔性太陽能電池的電極材料，新型FTCPFs能夠有效收集和傳輸光生載流子，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時，其柔韌性可使太陽能電池更好地適應(yīng)不同形狀的安裝表面，如建筑物的曲面屋頂、汽車車身等，拓展了太陽能電池的應(yīng)用場景。

與新型光伏材料的集成：與新興的鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池等材料集成，新型制備工藝的FTCPFs可與這些材料實現(xiàn)良好的兼容性，促進電荷傳輸和界面穩(wěn)定性，進一步提升柔性太陽能電池的性能和穩(wěn)定性。

（三）智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域

柔性傳感器：用于制作各類柔性傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器、生物傳感器等。新型FTCPFs的高靈敏度、良好的柔韌性和生物相容性，使其能夠準確感知人體生理信號和外界環(huán)境變化，為智能可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測、運動追蹤等方面的應(yīng)用提供可靠的傳感元件。

可穿戴能量存儲設(shè)備：在可穿戴超級電容器、鋰離子電池等能量存儲設(shè)備中，作為電極材料或集流體，新型FTCPFs能夠適應(yīng)設(shè)備的柔性需求，在彎曲、拉伸等狀態(tài)下保持穩(wěn)定的電學性能，為可穿戴設(shè)備的持續(xù)供電提供保障。

八、未來展望

盡管柔性透明導電聚合物薄膜新型制備工藝取得了重大突破，但仍有許多方面需要進一步研究和完善。在材料研究方面，需要開發(fā)新型導電聚合物和高性能添加劑，進一步優(yōu)化薄膜的性能，如提高電導率、增強抗氧化性等。在工藝優(yōu)化方面，需深入研究原位聚合和溶液加工 - 熱壓成型過程中的反應(yīng)機理和薄膜生長機制，實現(xiàn)更精確的工藝控制，提高薄膜性能的一致性和可重復性。

同時，加強與其他學科的交叉融合，如引入微納加工技術(shù)、人工智能算法等，為FTCPFs的制備工藝創(chuàng)新提供新的思路和方法。此外，隨著5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，對FTCPFs的性能和應(yīng)用提出了更高的要求，新型制備工藝有望在這些領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新和產(chǎn)品升級。

綜上所述，柔性透明導電聚合物薄膜制備工藝的大突破為該領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。通過不斷創(chuàng)新和完善，新型制備工藝將在未來的科技發(fā)展中發(fā)揮重要作用，推動眾多行業(yè)的進步和變革。

文章來源：功能膜世界

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