一种基于纳米纤维素的柔性导电纸及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于纳米纤维素的柔性导电纸及其制备方法，该导电纸平均厚度为10~50μm，薄膜电阻为10~30Ω/□。该纳米纸由以下组分组成：60~80wt%的导电活性物质作为储能材料，10~20wt%的纳米纤维素作为粘结剂和网络支撑体，10~20wt%的导电碳材料作为集流体。该纳米纸的制备包括以下步骤：（1）活性物质分散液配制；（2）纳米纤维素粘结剂分散液制备；（3）集流体分散液配制；（4）导电浆料配制；（5）成纸。该导电纸可应用于柔性薄膜型锂电池、柔性薄膜型太阳能电池、柔性薄膜型储能装置、柔性电子显示屏等，具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种基于纳米纤维素的柔性导电纸及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于纳米纤维素的柔性导电纸及其制备方法，属于柔性导电薄膜制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]纤维素是自然界中分布最广、储量最大的天然高分子，是构成植物细胞壁的基础物质。每年植物通过光合作用产生数千亿吨的纤维素，可以说纤维素是一种取之不尽用之不竭的可再生资源。纤维素具有可完全生物降解、无毒无污染、易于改性、生物相容性好、可再生等优势，被认为是未来世界能源化工的主要原料。有关纤维素材料的研究对于发展绿色化学促进人类可持续发展具有重要意义。
[0003]当前在电子工业里最大的挑战就是制造便携式、柔性、低成本和可循环利用的电子器件，柔性显示、薄膜传感器、0LED、太阳能电池、人机交互及电子纺织等下一代柔性电子系统正受到越来越多的关注，柔性电子正面向大面积、高效率、低成本方向发展。柔性导电纸作为柔性电子产品的核心组成部分，成为该领域研发的焦点。
[0004]目前，柔性导电纸的制备方法主要有真空热压法、高频磁控溅射法、原子层沉积法等，这些方法均对设备要求较高、实验条件苛刻。本发明采用压滤成纸法，先将成纸原料进行充分预混，再通过压滤成纸，工艺过程简单，通过控制挤出压力等条件可调控成纸厚度，成纸韧性好、表面平整度高。
[0005]本发明通过合理设计导电纸的结构和组成，制得膜厚可控、导电性好的柔性导电纸。该导电纸可应用于柔性薄膜型锂电池、柔性薄膜型太阳能电池、柔性薄膜型储能装置、柔性电子显示屏等，具有广阔的应用前景。该导电纸可直接作为锂电池、太阳能电池、超级电容器等电化学储能装置的电极使用，避免了有机粘结剂等对环境有毒有害物质的使用，并能有效提高储能能量密度。该柔性导电纸可应用于柔性电子显示屏，解决目前电子显示屏脆性大、不耐压、不可折叠等问题，使可穿戴、便携、柔性电子产品的问世成为可能。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种基于纳米纤维素的、具有良好电化学性能的、环境友好的柔性导电纸；本发明的目的还在于提供一种基于纳米纤维素的柔性导电纸的制备方法。
[0007]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种基于纳米纤维素的柔性导电纸及其制备方法，该导电纸由以下组分组成:6(T80wt%的导电活性物质作为储能材料，l(T20wt%的纳米纤维素作为粘结剂和网络支撑体，l(T20wt%的导电碳材料作为集流体。
[0008]所述的导电活性物质为导电金属氧化物，包括LTO、LCO、ATO、AZO、I TO、FTO中的任
意一种。
[0009]所述的纳米纤维素为I型天然纤维素，直径为2(T200nm，长径比为20?200。
[0010]所述的导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、导电活性炭中的一种或两种。[0011]一种基于纳米纤维素的柔性导电纸的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
a.活性物质分散液配制:准确称取0.1Og导电活性物质，研磨，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，强力机械搅拌5lh，静置待用；
b.纳米纤维素粘结剂分散液制备:准确称取0.1Og纳米纤维素，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，在细胞超声粉碎机中80(Tl500W超声粉碎0.5^2 h，静置待用；
c.集流体分散液配制:准确称取导电碳材料0.1Og,加入0.05、.1g的十二烷基苯磺酸钠(LAS)，加去离子水配制成质量分数为0.005、.01%的分散液，水浴中超声0.5~2h，静置待用；
d.导电浆料配制:按照质量比为导电活性物质:导电碳材料:纤维素=70:10-20:10-20的比例，称取一定量纤维素分散液和集流体分散液，混合均匀后，再加入一定量活性物质分散液，并加入总质量0.5%的甘油，在细胞超声粉碎机中80(Tl500W超声粉碎0.5^2h,
静置待用；
e.成纸:将导电浆料倒入过滤抄纸机中，控制挤出压力为0.5~2MPa，压滤成膜，湿膜在9(Tl 10°C下真空干燥，获得柔性导电纸。
[0012]一种基于 纳米纤维素的柔性导电纸，其特征在于导电纸厚度可控，平均厚度为10-50μπι，薄膜电阻为 10^30 Ω/O0
[0013]本发明的有益效果是发明一种基于纳米纤维素的柔性导电纸及其制备方法，可以合理高效利用自然资源，生态环境友好，获得高附加值经济效益；制备过程工艺简单，能量消耗少、生产成本低，特别是成纸方法新颖，膜厚可控；本发明通过合理设计导电纸的结构和组成，制得的导电纸柔性好、导电性能好，可广泛应用于柔性电子产品。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1 一种基于纳米纤维素的柔性导电纸的照片；
图2 —种基于纳米纤维素的柔性导电纸的柔性展示；
图3 —种基于纳米纤维素的柔性导电纸的SEM照片。
【具体实施方式】
[0015]本发明下面将通过具体的实施例进行更详细的叙述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
[0016]实施例一:具体步骤如下:
(I)活性物质分散液配制:准确称取0.1Og钛酸锂(LT0)，研磨，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，强力机械搅拌5h，静置待用；(2)纳米纤维素粘结剂分散液制备:准确称取0.1Og纳米纤维素(NCC)，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，在细胞超声粉碎机中800 W超声粉碎0.5 h，静置待用；(3)集流体分散液配制:准确称取碳纳米管(CNT) 0.10g，加入0.05g的LAS，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，水浴中超声30min，静置待用；(4)导电浆料配制:按照LTO:CNT:NCC质量比为70:20:10的比例称取LTO分散液、CNT分散液和NCC分散液，先将CNT分散液和NCC分散液混合均匀，再加入LTO分散液，并加入Ig甘油，在细胞超声粉碎机中800W超声粉碎0.5 h，静置待用；(5)成纸:将上述导电浆料倒入过滤抄纸机中，控制挤出压力为IMPa，压滤成膜，湿膜在95°C下真空干燥15min，自然冷却后获得柔性导电纸。
[0017]本实施方式所得导电纸具有极佳柔性，平均厚度为45 μ m,薄膜电阻为25 Ω / ?。图1和图2分别为该实施方式所得导电纸的照片和柔性展示，图3为该实施方式所得导电纸的SEM照片。
[0018]实施例二:具体步骤如下:
(O活性物质分散液配制:准确称取0.1Og钴酸锂(LC0)，研磨，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，强力机械搅拌6h，静置待用；(2)纳米纤维素粘结剂分散液制备:准确称取0.1Og纳米纤维素(NCC)，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，在细胞超声粉碎机中1000 W超声粉碎I h，静置待用；(3)集流体分散液配制:准确称取石墨烯0.10g，加入0.1Og的LAS，加去离子水配制成质量分数为0.005%的分散液，水浴中超声60min，静置待用；(4)导电浆料配制:按照LCO:石墨烯:NCC质量比为70:20:10的比例称取LCO分散液、石墨烯分散液和NCC分散液，先将石墨烯分散液和NCC分散液混合均匀，再加入LCO分散液，并加入Ig甘油，在细胞超声粉碎机中1000 W超声粉碎lh，静置待用；
(5)成纸:将上述导电浆料倒入过滤抄纸机中，控制挤出压力为1.5MPa，压滤成膜，湿膜在100°C下真空干燥15min，自然冷却后获得柔性导电纸。
[0019]本实施方式所得导电纸具有极佳柔性，平均厚度为40μπι，薄膜电阻为25Ω/0。
[0020]实施例三:具体步骤如下:
(I)活性物质分散液配制:准确称取0.1Og氧化锌铝(ΑΖ0)，研磨，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，强力机械搅拌7h，静置待用；(2)纳米纤维素粘结剂分散液制备:准确称取0.1Og纳米纤维素(NCC)，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，在细胞超声粉碎机中1000 W超声粉碎1.5 h，静置待用；(3)集流体分散液配制:准确称取乙炔黑0.10g，加入0.1Og的LAS，加去离子水配制成质量分数为0.005%的分散液，水浴中超声1.5h，静置待用；(4)导电浆料配制:按照AZO:乙炔黑:NCC质量比为70:20:10的比例称取AZO分散液、乙炔黑分散液和NCC分散液，先将乙炔黑分散液和NCC分散液混合均匀，再加入AZO分散液，并加入Ig甘油，在细胞超声粉碎机中1000 W超声粉碎1.5 h，静置待用；(5)成纸:将上述导电浆料倒入过滤抄纸机中，控制挤出压力为1.5MPa，压滤成膜，湿膜在105°C下真空干燥lOmin，自然冷却后获得柔性导电纸。
[0021]本实施方式所得导电纸具有极佳柔性，平均厚度为40μπι，薄膜电阻为20Ω/0。
[0022]实施例四:具体步骤如下:
(I)活性物质分散液配制:准确称取0.1Og氧化铟锡(ΙΤ0)，研磨，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，强力机械搅拌8h，静置待用；(2)纳米纤维素粘结剂分散液制备:准确称取0.1Og纳米纤维素(NCC)，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，在细胞超声粉碎机中1200 W超声粉碎2h，静置待用；(3)集流体分散液配制:准确称取导电活性炭0.10g，加入0.05g的LAS，加去离子水配制成质量分数为0.005%的分散液，水浴中超声60min，静置待用；(4)导电浆料配制:按照ITO:导电活性炭:NCC质量比为70:10:20的比例称取ITO分散液、导电活性炭分散液和NCC分散液，先将导电活性炭分散液和NCC分散液混合均匀，再加入ITO分散液，并加入Ig甘油，在细胞超声粉碎机中1200 W超声粉碎2h，静置待用；(5)成纸:将上述导电浆料倒入过滤抄纸机中，控制挤出压力为2MPa，压滤成膜，湿膜在110°c下真空干燥lOmin，自然冷却后获得柔性导电纸。
[0023]本实施方式所得导电纸具有极佳柔性，平均厚度为20μπι，薄膜电阻为15Ω/0。
[0024]熟悉本领域的技术人员可以容易的对这些实施实例做出各种修改，并把在此说明的一般性原理应用在其它应用实例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施实例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于纳米纤维素的柔性导电纸，其特征在于该导电纸由以下组分组成:60~80wt%的导电活性物质作为储能材料，l0~20wt%的纳米纤维素作为粘结剂和网络支撑体，l0~20wt%的导电碳材料作为集流体。
2.根据权利要求1所述的基于纳米纤维素的柔性导电纸，其特征在于导电活性物质为导电金属氧化物，包括LTO、LCO、ΑΤΟ、AZO、ITO, FTO中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于纳米纤维素的柔性导电纸，其特征在于纳米纤维素为I型天然纤维素，直径为20~200nm，长径比为20~200。
4.根据权利要求1所述的基于纳米纤维素的柔性导电纸，其特征在于导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、导电活性炭中的一种或两种。
5.一种基于纳米纤维素的柔性导电纸的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤: a.活性物质分散液配制:准确称取0.1Og导电活性物质，研磨，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，强力机械搅拌5~8h，静置待用； b.纳米纤维素粘结剂分散液制备:准确称取0.1Og纳米纤维素，加去离子水配制成质量分数为0.01%的分散液，在细胞超声粉碎机中800~l500W超声粉碎0.5~2 h，静置待用； c.集流体分散液配制:准确称取导电碳材料0.1Og,加入0.05~0.1g的十二烷基苯磺酸钠(LAS)，加去离子水配制成质量分数为0.005~0.01%的分散液，水浴中超声0.5~2h,静置待用； d.导电浆料配制:按照质量比为导电活性物质:导电碳材料:纤维素=70:10-20:10-20的比例，称取一定量纤维素分散液和集流体分散液，混合均匀后，再加入一定量活性物质分散液，并加入总质量0.5%的甘油，在细胞超声粉碎机中80(Tl500W超声粉碎0.5~2h,静置待用； e.成纸:将导电浆料倒入过滤抄纸机中，控制挤出压力为0.5~2MPa，压滤成膜，湿膜在9(Tl 10°C下真空干燥，获得柔性导电纸。
6.根据权利要求5所述的基于纳米纤维素的柔性导电纸的制备方法，其特征在于导电纸厚度可控，平均厚度为10-50μm，薄膜电阻为10-30Ω/0。
【文档编号】D21H27/00GK103966907SQ201410130420
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】冯欣, 曹绍梅, 施利毅, 赵经鹏, 孟祥浩, 方建慧 申请人:上海大学