专利摘要

专利摘要

本实用新型公开了一种高透明导电纳米纸及纸基电致发光设备，所述高透明导电纳米纸包括纳米纤维素纸和覆在纳米纤维素纸上的可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层，所述纸基电致发光设备包括上下两层所述的高透明导电纳米纸和位于两层高透明导电纳米纸之间的发光层。本实用新型所述的高透明导电纳米纸具有优异的光学、力学和电学性能，还具有优异的耐弯折性能和电学稳定性，能够成功应用于纸基电致发光设备中，为柔性纸基电子元器件的发展起到了推动作用。

权利要求

1.一种高透明导电纳米纸，其特征在于，包括纳米纤维素纸和覆在纳米纤维素纸上的可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层；所述可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层的厚度为100～500μm；所述纳米纤维素纸的厚度为40～100μm。

2.一种纸基电致发光设备，其特征在于，包括上下两层权利要求1所述的高透明导电纳米纸和位于两层高透明导电纳米纸之间的发光层。

3.根据权利要求2所述的纸基电致发光设备，其特征在于，所述发光层为ZnS:Cu/聚二甲基硅氧烷发光层。

4.根据权利要求3所述的纸基电致发光设备，其特征在于，所述发光层的厚度为50～200μm。

5.根据权利要求3所述的纸基电致发光设备，其特征在于，所述纸基电致发光设备为圆形、五角星形或蝴蝶形。

说明书

技术领域

本实用新型涉及导电纸技术领域，更具体地，本实用新型涉及高透明导电纳米纸及含有该高透明导电纳米纸的纸基电致发光设备。

背景技术

作为未来电子工业的重要发展方向，具有柔性和绿色的功能电子元件是发展趋势，而纸张作为一种古老而广泛使用的材料，因其轻质、便携、柔性可弯曲、可折叠、可生物降解、环境友好和价格低等优点而吸引了广大研究人员的目光。此外，成熟的造纸技术也为快速、简单和低成本的纸基电子制造工艺铺平了道路。因此，纸张具备的这些特征赋予其在未来电子领域的无限可能性。然而，传统纸张是由直径在20-50μm的天然纤维素制备而成的，形成的多孔结构及较为粗糙的表面，使其具有较差的光学性能，因其表面粗糙度大，多孔结构和不透明性因而不能直接应用于电子元件中，且作为绝缘材料，纸张的电阻率和方块电阻分别约为108-1012Ω.m、1011-1015Ω.sq-1，这些缺陷限制了传统纸张在柔性电子器件尤其是光学导电器件中的实际应用。目前，解决这一问题最为有效的措施，是使用纳米纤维素来制备导电纳米纸。为了使纸张具备导电性，科研人员已将各类导电填料如金属粉末、导电炭黑、聚吡咯、聚苯胺、石墨烯等加入进纸张网络中来制备纸基导电复合材料。但是，目前生产的导电纸也存在一些问题，如(1)硬质的导电填料与软的纤维素之间存在杨氏模量不匹配的问题，导致在弯折过程中复合网络中的导电填料容易脱落；(2)一些金属粉末存在氧化的问题，使纸张的导电性大打折扣；(3)一些碳基的导电材料与纸张复合后使纸张的透明度大大下降或者完全变成黑色。此外，现有导电纸的制备工艺大多是通过沉积法，如真空抽滤、喷涂、溅射等，将导电层的厚度控制在50nm以内，但繁复的沉积工艺需要苛刻的高压或高温条件，能量消耗较大产出较低，限制了导电纸的实际应用。这些问题都极大地限制了导电纸应用领域的进一步扩大。

实用新型内容

本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种高透明导电纳米纸，其在550nm处透过率能达到92.5％，且所述高透明导电纳米纸拉能性能和电学稳定性均优异。

一种高透明导电纳米纸，包括纳米纤维素纸和覆在纳米纤维素纸上的可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层；所述可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层的厚度为100～500μm；所述纳米纤维素纸的厚度为40～100μm。

本申请所述的可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层是指由可聚合低共熔溶剂(PDES)与交联剂、引发剂固化制得的透明导电油墨层。可聚合低共熔溶剂是离子液体的一种，兼具透明、导电、环境友好等性能，申请通过实验发现，可聚合低共熔溶剂能够应用于制备高透明度的导电纳米纸，通过在纳米纤维素纸上覆一层主要成分为可聚合低共熔溶剂的透明导电油墨层，能够得到的透过率(550nm)高达到92.5％、导电性能好、电学稳定性和力学性能均优异的导电纳米纸。所制备的高透明导电纳米纸还可以解决目前电子产品存在环境污染和资源浪费等问题。

本实用新型所述的可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层通过丝网印刷、柔板印刷、平版印刷、微凹涂布的方式覆在纳米纤维素纸上。

本实用新型所述的高透明导电纳米纸通过如下制备方法得到：

S1、制备透明导电油墨：将氢键受体和氢键供体于60～100℃反应3～5h得到澄清透明的可聚合低共熔溶剂(PDES)，向低共熔溶剂中加入交联剂和光引发剂，搅拌混合均匀得到导电油墨；

S2、制备高透明导电纳米纸：将步骤S1制备的导电油墨转移到印刷涂布设备上，在纳米纤维素纸张上进行涂布导电油墨，将涂布完成的纸张在紫外光辐照下固化得到高透明导电纳米纸。

目前基于CNF型导电纸大都是与纳米金属线如纳米银线(AgNWs)等相复合制备的，而这些纳米金属线制备过程复杂，成本远高于可聚合低共熔溶剂，另外制备纸张的各项性能也会受到纳米金属线添加量的影响。本申请制备透明导电纳米纸的过程中无需额外添加导电填料，能够快速光聚合、易于制备，也无需添加任何有机溶剂，不会对环境产生污染。本申请基于纳米纤维素、低共熔溶剂和丝网印刷工艺制备高透明导电纳米纸(TCNP)的过程非常简易，制得的导电纸具有较高的透明度(在550nm处透过率约为92.5％)，较好的拉伸性能(拉伸形变约12％)和电学稳定性(150゜下折叠6000次，电阻仅仅增加约0.4％)。

氢键受体可以为氯化胆碱、无水甜菜碱、一水甜菜碱、氯化铵、甲基三苯基溴化磷、苄基三苯基氯化磷钟的一种或多种，所述氢键供体可以为丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸、马来酸、衣康酸、柠康酸、乌头酸、山梨酸中的一种或多种，氢键供体与氢键受体的摩尔比不小于1:3，交联剂的用量为可聚合低共熔溶剂总量的0.1％～5％；光引发剂的用量为可聚合低共熔溶剂总量的0.1％～5％。

所述交联剂为含碳碳双键的丙烯酸酯类活性单体。具体地，所述交联剂为二缩三丙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯等中的一种或多种

本实用新型所述的纳米纤维素纸可以使用市面上销售的现有纳米纤维素纸，也可以采用自制的纳米纤维素纸。优选地，自制纳米纤维素纸的制备过程如下：

(1)制备纳米纤维素浆料：将绝干浆用去离子水浸泡，使其溶胀，然后疏解，使纤维在水中分散均匀得到浆料，加入TEMPO水溶液，搅拌使TEMPO和浆料混合均匀，再加入 NaBr，搅拌均匀，再逐滴加入NaClO，开始计算反应时间，用NaOH或者HCl调节体系pH 值，保持在pH在10～11，反应2～3h，至pH不再变化时加入乙醇终止反应，得到纳米纤维素水溶液；其中，TEMPO和绝干浆的质量比为(1～2)：100，NaBr与绝干浆的质量比为(5～ 15)：100，NaClO与绝干浆的质量比为(500～750)：100；

(2)制备凝胶状纳米纤维素分散液：将纳米纤维素浆料进行过滤或抽滤，水洗去除浆料中的化学物质，再加入去离子水稀释浆料，将浆料转移至植物纤维纳米微射流均质机进行均质处理，制得透明凝胶状纳米纤维素；

(3)制备纳米纤维素纸：将凝胶状纳米纤维素分散液倒入布氏漏斗真空抽滤得到纳米纤维素膜，再干燥即得CNF纸张。

一种纸基电致发光设备，包括上下两层所述的高透明导电纳米纸和位于两层高透明导电纳米纸之间的发光层。即所述纸基电致发光设备包括依次层叠的纳米纤维素纸、可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层、发光层、可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层和纳米纤维素纸。

优选地，所述发光层为ZnS:Cu/聚二甲基硅氧烷发光层。

优选地，所述发光层的厚度为50～200μm。

优选地，所述纸基电致发光设备为圆形、五角星形或蝴蝶形。本实用新型所述的纸基电致发光设备能够制作成可图案化显示的电致发光设备，如圆形、五角星形、蝴蝶形等等。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型所述的高透明导电纳米纸具有优异的光学(可见光透过率达92.5％)、力学(最大拉伸形变达12％)和电学性能，还具有优异的耐弯折性能和电学稳定性，能够成功应用于纸基电致发光设备中，为柔性纸基电子元器件的发展起到了一定的推动作用；导电纸高的透明度有助于纸基电致发光设备显示出更高亮度的蓝光；本实用新型所述的纸基电致发光设备还可以制备成圆形、五角星形或蝴蝶形等多种形状，实现个性化显示。

附图说明

图1为实施例1高透明导电纳米纸的结构示意简图。

图2为实施例1纳米纤维素纸与TCNP导电纸的光学透过率图。

图3为实施例1纳米纤维素纸和TCNP导电纸的应变-应力曲线。

图4为实施例1的TCNP导电纸的物理和电学稳定性测试图。

图5为实施例2纸基电致发光器件的结构示意简图。

图6为实施例2纸基电致发光器件原理图、发光及柔性测试图。

图7为TCNP导电纸的图案化印制和电致发光设备的个性化显示图。

附图说明：1、纳米纤维素纸；2、可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层；3、发光层。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

以下实施例1中，所述高透明导电纳米纸(TCNP)的制备过程如下：

(1)制备透明导电油墨：将氯化胆碱和丙烯酸以1：2的摩尔比混合，将混合物在密闭烧瓶中于90℃下加热搅拌约4小时，直至形成均匀的澄清透明溶液PDES，然后将交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯和光引发剂2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到PDES中，交联剂和光引发剂的加入量均为PDES总质量的1wt.％，超声10分钟后即可制备PDES导电油墨。

(2)TEMPO氧化法制备CNF

1)实验选择桉木浆为制备CNF的原料，并通过水分快速测定仪测定浆板的含水量，并计算绝干浆的加入量。本实验中称取10g绝干浆，撕成片状后用去离子水浸泡过夜，然后使用疏解机充分疏解，使纤维在水中充分分散。

2)称取0.15g的TEMPO，置于50ml蒸馏水中，加热使其完全溶解，然后加入预先分散好的浆料中，继续搅拌30分钟使TEMPO和浆料充分混合均匀。

3)加入1g NaBr，充分搅拌，然后用胶头滴管逐滴加入50～75g NaClO，并开始计算反应时间。反应开始后，用NaOH或HCl调节混合溶液的pH值，使其保持在10.5(10～11) 左右。整个反应进行的时间为2～3小时，至pH值不再变化时，加入10ml(1wt.％)乙醇，终止反应。

4)将浆料转移至布氏漏斗中进行抽滤洗涤，期间用去离子水反复清洗至少三次，直至浆料中的化学物质全部移除。清洗后的浆料再加入适量的去离子水，稀释浆料等待高压均质使用。

5)将清洗干净后浆料转移至植物纤维纳米微射流均质机进行均质处理，采用1500Bar 压力进行均质3次，最终得到透明凝胶状的CNF。经测定，制得的CNF分散液固含量为0.5 wt.％。最后将制得的CNF分散液置于4℃的环境下等待进一步使用。

(3)CNF纳米纸的制备

CNF纸张使用TEMPO氧化的CNF水溶液通过真空过滤制备而成。实验中将一定量的CNF水溶液倒入布氏漏斗中通过真空水泵抽滤4小时，抽滤完成后将CNF膜在60℃下干燥 48小时即可制得CNF纸张。CNF纸张的克重通过CNF水溶液加入的量决定。

(4)TCNP型导电纸的制备

将制备的PDES导电油墨转移到丝网版上(200目)并用丝网印刷机在CNF纸张上进行涂布。将涂布完成的纸张在UV源下照射一定时间即可得到TCNP型导电纸。实验过程中光强度为20mW·cm-2。

实施例1

如图1所示，一种高透明导电纳米纸(TCNP)，包括纳米纤维素纸(CNF)1和覆在纳米纤维素纸1上的可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层2，所述可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层的厚度为100～500μm，所述纳米纤维素纸的厚度为40～100μm。

对比例1

一种导电纳米纸，其利用纳米银线(AgNWs)作为导电填料，具体制备过程如下：将纳米纤维素和1％wt的纳米银混合后，超声震荡30min，使二者充分均匀混合，置于布氏漏斗中，真空抽滤4h，80℃干燥3h后即可得到纳米线的导电纸。

对比例2

一种导电纳米纸，其利用石墨烯作为导电填料，具体制备过程如下：将纳米纤维素和 0.5％wt的石墨烯混合后，超声震荡30min，使二者充分均匀混合，置于布氏漏斗中，真空抽滤4h，80℃干燥3h后即可得到纳米线的导电纸。

对比例3

一种导电纳米纸，其利用聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)作为导电填料，具体制备过程如下：将纳米纤维素和0.3％的PEDOT:PSS混合后，超声震荡30min，使二者充分均匀混合，置于布氏漏斗中，真空抽滤4h，80℃干燥4h后即可得到纳米线的导电纸。

对比例4

一种导电纳米纸，其利用碳纳米管(CNT)作为导电填料，具体制备过程如下：将纳米纤维素和0.5％的CNT混合后，超声震荡30min，使二者充分均匀混合，置于布氏漏斗中，真空抽滤4h，80℃干燥3h后即可得到纳米线的导电纸。

以上对比例1-4的纳米纤维素均的制备方法与实施例1中“(2)TEMPO氧化法制备CNF”相同。

实施例1的CNF(Nanopaper)与TCNP导电纸的光学透过率见图2，本申请还做了导电油墨涂布之前和之后的SEM测试。由图2可知，单纯CNF制备的纸张具有约88％可见光透过率，TCNP导电纸的可见光透射率进一步提升至约92.5％。对比导电油墨涂布前后的SEM 图像可知，TCNP导电纸比原始CNF纳米纸表面更为光滑，粗糙度更小，这是因为聚合后的 poly(PDES)包裹在CNF纤维上并填充在孔中。当光线通过TCNP时，散射光部分减少，因而进一步提高了TCNP的透明度。本实用新型所述的高透明导电纳米纸的具有较高的透明度。此外，无论PDES用量多少，也即无论可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层的厚度多少，都不会降低纸张本身的透明度。

除了高度透明外，导电油墨层还赋予TCNP优异的机械和电学性能。实验中使用拉伸试验对比了CNF原纸与TCNP在涂布PDES前后的机械性能变化。图3为纳米纸和TCNP 导电纸的应变-应力曲线。由图可知，未经涂布的CNF原纸仅有约0.5％的应变，这与天然纤维素纳米纤维刚性且易碎的特性相一致。而相比之下，涂布PDES后TCNP纸张的拉伸应变大幅地增加，约为7％，增加了14倍。

本实用新型所述的TCNP还具有导电性。实验中分别将实施例1述的TCNP导电纸与LED小灯泡一起串联进电路中，能够观察到当导线与TCNP导电纸接触时，LED小灯泡被点亮，证明了电路的连通性和制备的TCNP纸张的导电性。

由于敏锐的形变检测能力，所以纸张由变形引起的电阻变化可以被轻易检测到。如图 4，a为相对电阻变化随导电纸弯折角度的变化，b为纸张在150°下循环弯折6000次的相对电阻变化，c为弯曲前后纸张透明度变化，d为弯曲前后纸张方块电阻变化。

如图4(a)所示，TCNP导电纸的相对电阻变化随着弯曲角度从30°到150°增加而不断增加。而且导电纸在每个角度重复过程中，如在30、60、90、120、150度下各重复弯折三次，纸张的电阻变化均一致，表明了TCNP导电纸优异的电学稳定性，内嵌插图说明了TCNP 纸张的导电性和可弯折性。

电学循环稳定性和抗弯折能力对于导电纸来说是一项非常重要的参数，该性能代表着导电纸的耐久性和使用寿命。如图4(b)所示，实验中采取在150°大的弯曲角度下循环测试 TCNP导电纸的耐弯折性能，并使用数字源表实时监测其在弯折过程中的电阻变化。研究发现，在3000次的大角度弯曲之后，TCNP导电纸的最终电阻与初始时相比仅略微增加，此外，如图4(c)所示，在弯折6000次后，导电纸的透明度几乎没有变化，且导电纸的表面方块电阻仅增加了约0.4％左右(图4(d))。以上测试结果表明TCNP导电纸具有长的使用寿命和电学稳定性。

实施例2

如图5所示，一种纸基电致发光设备，包括上下两层实施例1所述的高透明导电纳米纸和位于两层高透明导电纳米纸之间的发光层3，即所述纸基电致发光设备包括依次层叠的纳米纤维素纸1、可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层2、发光层3、可聚合低共熔溶剂透明导电油墨层2和纳米纤维素纸1。所述发光层3为ZnS:Cu/聚二甲基硅氧烷发光层，发光层3厚度为50～200μm。

本实施例2所述的电致发光设备，通过如下方法得到：将PDMS与引发剂按照质量比10：1混合均匀，然后称一定质量的电致发光粉(ZnS：Cu)加入到PDMS中搅拌均匀制得发光层不透明溶液，电致发光粉与PDMS的质量比为1：1。利用旋涂仪将不透明溶液旋涂至聚苯乙烯盘上，速度为1000r/s，时间为60s，完成旋涂过程。将涂布完成的ZnS:Cu/PDMS 凝胶放置在烘箱下干燥(80℃干燥2h)待完全干燥后，剥离备用。将干燥好的ZnS:Cu/PDMS 凝胶和制备好的TCNP组合成“三明治”式的电致发光器件，即上下两层为TCNP导电纸，中间一层为固化后的ZnS:Cu/PDMS发光层，使用铜片与上下两层导电纸连接，铜片与电源连接，由此实现TCNP接到电致发光驱动器上即可完成纸基电致发光设备的组装。

如图6为柔性纸基电致发光设备在不同状态下((b)水平、(c)弯曲、(d)“Z字形”)的外观图，从图6可知，本实用新型利用TCNP制备的电致发光设备具有高的发光亮度和柔性特点。

TCNP纸张具备的高透明度、导电、耐弯折性和长时间工作的电学稳定性使其能轻易地满足纸基电子产品中的柔性导电基材的需求。虽然制备TCNP纸张的电导率高于传统金属涂层纸的电导率，但在低压工作需求的电致发光设备应用中不需要高导电性。图6(a)展示了通过使用TCNP纸张作为制备柔性电致发光设备的关键组件，构建电致发光设备的原理演示。纸基电致发光设备的上部和下部由TCNP纸张组成，中间夹着一层约100μm厚的ZnS：Cu/PDMS发光层。当施加高频交流电压时，中间发光层部分的电子被激发跃迁，并发射出蓝色光。由图6(b-d)可以看出，由TCNP纸张制备的电致发光设备可以发出高亮度的蓝光，除去自身电学性能的影响之外，TCNP纸张的高透明度也促进了电致发光设备能够显示出高亮度的蓝光。

如图7(a-c)所示，本实施所述的纸基电致发光设备可以通过丝网印刷印制如圆形、五角星和蝴蝶图案的PDES导电层，然后组装成相应地电致发光设备(图7(d-f))，因而可以轻松实现电致发光设备的个性化显示。

总上可知：使用PDES作为导电油墨，CNF纸张作为透明衬底，两者相复合制备的TCNP 具有优异的光学(可见光透过率高达92.5％)、力学(最大拉伸形变约12％)和电学性能，特别地，本实用新型制备的TCNP导电纸还具有优异的耐弯折性能和电学稳定性，并成功应用于柔性电致发光设备中，可以制作纸基电致发光设备，且可以实现图案化个性设置，为柔性纸基电子元器件的发展起到了一定的推动作用。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

高透明导电纳米纸及纸基电致发光设备专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

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1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

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Q:专利著录项目变更费用如何缴交

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Q：专利转让变更，多久能出结果

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