碳奈米管的官能基化及其在PMMA為基之透明導電複合薄膜的應用

Abstract

多壁碳奈米管(MWNTs)的官能基化(又稱f-MWNTs)製程及其以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為基製備的透明導電複合薄膜已成功被開發。碳管的氧化使用兩種不同氧化劑 (濃硫酸加濃硝酸、濃硝酸) 以及兩種不同攪拌方法(超音波震盪、加熱迴流)，某些樣品再進一步加入SOCl2進行醯化反應。將官能基化碳管依照不同比例混合PMMA再利用液滴成膜法滴鑄在玻璃基材上製成複合薄膜。原來碳管及官能基化碳管藉由紅外線光譜技術 (FTIR)、拉曼光譜技術 (Raman)、熱重量分析技術 (TGA)、掃描式電子顯微技術(SEM)以及穿透電子顯微技術 (TEM)進行分析。碳管在去離子水中的分散能力、複合薄膜的穿透度和導電度分別由紫外可見光光譜技術 (UV-visble)及四點探針(Four-point probe)做量測。實驗結果可獲得以下結論： 關於分散能力與氧化程度，結果顯示碳管在去離子水中分散能力的順序為濃硝酸加熱迴流＞濃硫酸加濃硝酸超音波震盪＞濃硝酸超音波震盪；其中濃硝酸在超音波震盪下具弱氧化作用，濃硫酸加濃硝酸在超音波震盪下具強氧化作用使部份碳管結構遭到破壞，相反的濃硝酸在加熱迴流及適當氧化時間下碳管可獲得最佳的分散能力與合適氧化程度且對碳管不易造成明顯的破壞。 關於官能基化碳管在PMMA為基複合薄膜中的分散情形，結果發現f-MWNTs/PMMA系統在溶劑二甲基甲醯胺(DMF；N,N-dimethylacetamide)中具有最佳的分散能力。未官能基化碳管經由凡得瓦爾力聚集在一起，反之官能基化碳管在複合薄膜中具有極佳分散能力，是因為溶劑分子、官能基化碳管和高分子具極性的部分互相以偶極-偶極力作用。再者，比較羧酸化和醯化碳管，結果指出經過醯化反應的碳管在複合薄膜內的分散性的確增加並且對碳管的結構不易產生明顯的破壞。 關於官能基化碳管與PMMA複合薄膜的導電率及穿透度，結果顯示薄膜導電度是由四點探針量測薄膜表面導電度而非整體薄膜導電度。因此，在相同碳管比例下，厚度較厚的薄膜其溶劑揮發時間較長，碳管在薄膜底部沉澱較多表面較少，導致薄膜厚度上升表面導電度下降。關於碳管比例在複合薄膜中的影響，可以發現碳管比例提升導電度增加。碳管在PMMA基材中形成導線，使得電子在絕緣的基材中藉由互相接觸的碳管傳遞。相較之下，薄膜穿透度在可見光波長500 nm條件下隨著碳管比例及薄膜厚度增加而降低。 複合薄膜中醯化碳管較羧酸化碳管能提升薄膜穿透度及導電度。在碳管比例為3wt%條件下，以醯化碳管取代羧酸化碳管後，複合薄膜的導電度從2.64×10-2 (S/cm)提升到3.93×10-2(S/cm)，穿透度從34.1%提升到43.1%。這是因為羧酸化碳管之間互相產生氫鍵形成穩定的鍵結，減少了與PMMA長鏈中極性部分的作用，降低了在高分子中的分散性。