納米微晶纖維素導電薄膜的制備及性能表征

張浩 洪亮 呂金燕 朱明

摘 要：探討了利用3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）改性的多壁碳納米管（MWCNTs）制備納米微晶纖維素（NCC）的導電薄膜。首先將NCC溶解在NaOH-尿素-水的混合體系中，然后向該體系添加改性的MWCNTs并經超聲分散后刮膜成型，分別利用掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、X射線衍射儀（XRD）、萬能材料試驗機、紫外可見分光光度計和電導率儀表征導電薄膜的形貌結構及導電性能。結果表明，經MPS改性后的MWCNTs可在導電薄膜中獲得良好的分散性能，當改性MWCNTs質量分數≤6%時，未在導電薄膜內觀察到明顯的團聚現象；改性MWCNTs的添加對NCC基材的化學結構影響并不明顯；當改性MWCNTs質量分數為10%時，導電薄膜的結晶度可提高44.8%，對于波長為200～550 nm的光線吸收能力均明顯增強，抗張強度下降57.8%。添加質量分數6%的改性MWCNTs的導電薄膜的電導率可達4.66 mS/cm，但對應的電阻率僅為214.6 Ω·cm。

關鍵詞：納米微晶纖維素；碳納米管；導電薄膜；制備；表征

中圖分類號：TQ35；TS71

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.11.001

Abstract：In this study， surface-modified multi-walled carbon nanotubes （MWCNTs） were used to prepare conductive film based on nano crystalline cellulose （NCC）. Firstly the NCC particles were dissolved in the NaOH-urea-water system， then the MWCNTs modified by 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane （MPS） were added into the system， finally the mixture system was used to prepare film after ultrasonic dispersing. The conductive films were characterized using scanning electron microscope （SEM）， fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR）， X-ray diffraction （XRD）， UV-VIS spectrophotometer， and conductivity meter. The results showed that the MWCNTs modified by MPS dispersed in the NCC films uniformly. Compared with the control group， the chemical structures of NCC film was affected by the surfaced-modified MWCNTs slightly， while the crystallinity of the NCC film contained 10wt% modified MWCNTs was increased by 44.8% and the absorption to the ray between 200 nm and 550 nm was enhanced and the tensile strength was declined by 57.8%. The conductivity of the film reached 4.66 mS/cm and the electrical resistivity was 214.6 Ω·cm when the content of surfaced-modified MWCNTs was 6wt%.

Key words：nanocrystalline cellulose； carbon nanotube； conductive film； preparation； characterization

導電薄膜作為一種能夠實現特定電子功能的薄膜材料，應用十分廣泛，但是傳統導電薄膜主要以玻璃、陶瓷等硬質材料為基材，存在著密度大、柔性差等缺陷，嚴重制約了電子器件的發展[1]。隨著工業技術水平的不斷進步，對于電子器件便攜性能的要求變得越來越高，質輕且不易碎的導電薄膜逐漸受到廣大科研工作者的關注[2-3]。

目前，關于導電薄膜的研究主要集中在氧化物和氮化物等方面，其中氧化銦錫（ITO）導電薄膜在可見光波長范圍內具有高透射率、低電阻等特點，但是銦本身的毒性及其固有的力學脆性是制約其推廣的主要瓶頸[4-5]。ZnO也是常用的導電基材， Yang W F等人[6]利用磁控濺射技術制備了厚度為250 nm的ZnO薄膜，該薄膜的電阻率可達4.62×10-4 Ω·cm，在波長為400～700 nm的范圍內對于光的平均透過率為93.7%。另外，由于碳納米管具有突出的導電性能，也被廣泛應用于導電材料的制備，如Li Q等人[7]從0.3 mm長的碳納米管陣列中紡出的碳納米管纖維在溫度為300 K時的電導率為465.3 S/cm。Badaire S等人[8]經過研究發現，在拉伸作用下，隨著纖維中碳納米管取向度的提高，其導電能力也可以得到明顯的改善。石墨烯作為新興的碳基導電材料，廣大科研工作者對其在導電薄膜領域的應用開展了廣泛的研究。 Dong X等人[9]已經利用噴涂法制備出石墨烯-碳納米管復合薄膜，此薄膜核殼結構間的π-π 堆積作用力在超級電容器的研究方面前景廣闊。

納米微晶纖維素（NCC）因具有機械強度高、熱膨脹率低以及良好的生物相容性等優點，在復合材料領域受到廣大科研工作者的廣泛關注[10-12]。本研究利用NCC作為基材制備薄膜材料，通過在薄膜中添加經過表面改性處理的多壁碳納米管（MWCNTs）以使復合薄膜獲得良好的導電能力，并對導電薄膜的結構和性能進行了表征。

1 實 驗

1.1 實驗原料

微晶纖維素（MCC），粒徑80～100 μm，聚合度176，結晶度53.2%，分析純，天津市光復精細化工研究所；多壁碳納米管（MWCNTs），純度>99.9%，外徑10～20 nm，內徑3～5 nm，長度5～30 μm，中國科學院成都有機化學有限公司；3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS），分析純，北京申達精細化工有限公司。其他化學試劑均為分析純。

1.2 實驗儀器

超聲波細胞破碎儀（JY98-IIIN，寧波新芝生物科技股份有限公司）；冷凍干燥機（FD-1D-50，北京博醫康實驗儀器有限公司）；掃描電子顯微鏡（SEM，S-3000N，日本Hitachi公司）；傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，Tensor7，德國Bruker公司）；X射線衍射儀（XRD，XRD-6000，日本Shimadizu公司）；萬能材料試驗機（2300，英國Instron公司）；紫外可見分光光度計（UV-3600，日本Shimadizu公司）；電導率儀（FE30，梅特-托利儀器上海有限公司）。

1.3 導電薄膜制備

1.3.1 MWCNTs的表面改性

以MPS作為表面改性劑，通過引入疏水性基團提高MWCNTs的分散能力。首先用無水乙醇作為MPS的溶劑，制備體積分數為7%的MPS-無水乙醇溶液；然后通過滴加鹽酸將該溶液的pH值調整到3～4，搖勻后在常溫下靜置60 min以完成MPS的水解反應，溶液變為澄清透明標志著水解反應徹底完成；在改性過程中，每改性1 g的MWCNTs需要100 g水解徹底的MPS-無水乙醇溶液，改性時間3 h，改性溫度60℃。MPS的水解反應見反應式（1），MWCNTs的表面改性反應見反應式（2）。

1.3.2 NCC的制備

將MCC與質量分數為25%的硫酸溶液混合（質量比為1∶6），在50℃水浴條件下水解處理3 h，將水解產物減壓抽濾后用蒸餾水洗滌至中性，在65℃下烘干48 h，制備酸水解MCC。接著用蒸餾水將酸水解MCC配制成質量分數為1.0%的懸浮液，然后利用超聲波細胞破碎儀在600 W的功率下對該懸浮液超聲處理500 s，最后經-50℃冷凍干燥處理48 h獲得NCC顆粒。

1.3.3 導電薄膜的成形

首先將NaOH、尿素、水按質量比為7∶12∶81的比例混合均勻，然后冷凍至-12℃以獲得NCC顆粒的溶解體系。取600 g的NaOH-尿素-水溶解體系均分為6組，分別與5 g的NCC顆粒混合，經200 r/min的機械攪拌處理20 min，獲得6組NCC溶液；向其中5組NCC溶液中分別添加質量分數2%～10%（相對于NCC的質量）經MPS改性的MWCNTs，而另外一組未添加改性MWCNTs的NCC溶液作為對照組。經超聲處理分散均勻后，用兩端纏有細銅絲的玻璃棒在玻璃板上將上述混合物刮成厚度為（1.0±0.05）mm的均勻薄膜，按照固液比1∶200的比例用大量蒸餾水沖洗所得薄膜并在60℃條件下烘干48 h，制得導電薄膜備用。

1.4 導電薄膜的性能表征

1.4.1 SEM分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察導電薄膜的外觀形貌，加速電壓為18 kV。

1.4.2 FT-IR分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）分析導電薄膜的化學結構，利用KBr壓片法將導電薄膜和KBr按照質量比1∶120進行混合，研磨至200目并在12 MPa條件下壓片，FT-IR掃描范圍4000～400 cm-1，掃描次數64次。

1.4.3 晶體結構及結晶度

采用X射線衍射儀（XRD）測定導電薄膜的結晶結構及結晶度，掃描速率為2 °/min，步幅為0.05°，掃描范圍為5°～45°。

1.4.4 抗張強度

利用萬能材料試驗機測定導電薄膜的抗張強度，待測樣品按照GB/T 450—2008的要求進行制備，拉伸速率為2 mm/min。

1.4.5 光學性能

將添加不同質量分數改性MWCNTs的導電薄膜制成待測樣品，利用紫外可見分光光度計對待測樣品波長范圍200～800 nm的光線進行吸收率的測定。

1.4.6 導電能力

利用實驗室電導率儀測定導電薄膜的電導率，測量溫度15～25℃。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖1為含有不同質量分數改性MWCNTs的導電

薄膜的SEM圖。從圖1中可以看出，經MPS改性后MWCNTs在NCC基材中的分散能力較好，當改性MWCNTs的質量分數≤6%時，未在導電薄膜中觀察到明顯的MWCNTs團聚現象（如圖1（b）～圖1（d）所示）。隨著改性MWCNTs質量分數的繼續提高，其在導電薄膜中的分散能力開始下降，當導電薄膜中改性MWCNTs的質量分數為8%時，導電薄膜中觀察到少量的MWCNTs團聚現象出現，繼續增加改性MWCNTs質量分數至10%，導電薄膜中改性MWCNTs的團聚現象更加明顯（如圖1（e）和圖1（f）所示）。

2.2 FT-IR分析

利用FT-IR對含有不同質量分數改性MWCNTs的導電薄膜進行化學結構表征，其FT-IR譜圖見圖2。由圖2可知，未添加改性MWCNTs的導電薄膜中羥基的特征峰位于3420 cm-1處，C—H的不對稱伸縮振動峰位于2820 cm-1處，羰基的特征峰位于1728 cm-1處，位于1250 cm-1處的弱吸收峰是CO彎曲振動的特征峰，而位于1035 cm-1和1505 cm-1處的特征峰則與C—O—C的伸縮振動有關。

由圖2還可知，添加MPS改性的MWCNTs可以明顯增加導電薄膜FT-IR譜圖中的羥基特征吸收峰強度，這表明大量表面活性羥基通過改性MWCNTs的引入而出現在導電薄膜的結構中，且隨著改性MWCNTs質量分數的增加使得位于3420 cm-1處的特征峰強度提高，但位于2820 cm-1處的C—H不對稱伸縮振動的特征峰受改性MWCNTs用量的影響不明顯。導電薄膜結構中位于1728、1505、1250和1035 cm-1處的特征吸收峰強度則隨著MPS改性MWCNTs質量分數的增大而持續增加，表明MPS改性MWCNTs的添加能夠在導電薄膜的結構中引入大量CO和C—O—C等結構單元。

2.3 XRD分析

利用NaOH-尿素-水體系在-12℃條件下對NCC顆粒進行溶解，體系中大分子的溶解作用顯著，使得析出成型所得的纖維素薄膜晶型為纖維素II。圖3為不同質量分數改性MWCNTs導電薄膜的XRD譜圖。由圖3可知，導電薄膜在12.8°、20.3°、21.5°處有明顯特征吸收峰，分別代表纖維素II晶型的（110）晶面、（101）晶面和（002）晶面。

由圖3還可知，未添加MPS改性MWCNTs的導電薄膜纖維素結構中的大部分氫鍵均在溶解過程中被破壞，導致其結晶結構的特征衍射峰強度較弱[13]。隨著改性MWCNTs質量分數的提高，引入導電薄膜中的活性羥基通過形成新的氫鍵連接可使纖維素II分子鏈的排列更加致密，從而導致導電薄膜結構中位于20.3°和21.5°的特征衍射峰強度提高明顯，但是位于12.8°的（110）晶面受MPS改性MWCNTs影響較小，其衍射強度基本保持穩定。

改性MWCNTs的添加可在導電薄膜的分子鏈間建立新的氫鍵連接，從而影響導電薄膜的結晶度，隨著改性MWCNTs質量分數的增加，導電薄膜結晶度的變化如表1所示。

2.4 抗張強度分析

由導電薄膜的SEM分析可知，隨著改性MWCNTs質量分數的不斷提高，其在導電薄膜中的團聚現象逐漸顯現，由此導致的導電薄膜結構均勻性下降，進而影響導電薄膜的力學強度。圖4為含有不同質量分數改性MWCNTs導電薄膜的抗張強度。

由圖4可知，未添加改性MWCNTs時導電薄膜的力學性能較好，其抗張強度可達10.2 MPa。隨著改性MWCNTs質量分數的提高，導電薄膜本身的結構受到破壞并進一步造成導電薄膜力學強度降低。當改性MWCNTs質量分數為2%時，導電薄膜的抗張強度相比未添加改性MWCNTs的導電薄膜下降了6.9%。改性MWCNTs質量分數的繼續增加導致其在導電薄膜基材中出現明顯的團聚現象，當改性MWCNTs的質量分數增加至10%時，導電薄膜的抗張強度下降至4.3 MPa，相比未添加改性MWCNTs的抗張強度下降57.8%。

2.5 光學性能分析

導電薄膜對不同波長范圍光線的吸收能力受其組成影響顯著。圖5為不同質量分數改性MWCNTs導電薄膜的紫外可見吸收光譜圖。由圖5可知，通過向NCC基材中加入不同質量分數的改性MWCNTs制備的導電薄膜對光線吸收率的影響主要集中在波長350 nm以下的紫外線區域。

由圖5可知，未添加改性MWCNTs的導電薄膜對波長范圍為200～350 nm的光線具有一定的吸收能力，隨著波長的增加導電薄膜對波長為400～700 nm的可見光吸收能力明顯降低。由圖5還可知，隨著MPS改性MWCNTs質量分數的增加，導電薄膜對于光線的吸收能力開始呈現增強的趨勢，在波長200～350 nm的紫外區域尤為明顯，當改性MWCNTs的質量分數達到10%時，導電薄膜在波長為350～550 nm的可見光范圍內也可表現出較強的吸收作用。

2.6 導電性能分析

利用改性MWCNTs作為添加劑可提高NCC薄膜基材的導電能力，采用電導率儀測量了含有不同質量分數改性MWCNTs導電薄膜的電導率和電阻率，結果見圖6。

由圖6可知，未添加改性MWCNTs的導電薄膜的電導率為1.53 mS/cm，其對應的電阻率高達653.6 Ω·cm。然而隨著改性MWCNTs質量分數的增加，其在纖維素基材中均勻分散可以形成穩定的三維導電網絡，導致導電薄膜的導電性能得到明顯提高。當改性MWCNTs的質量分數為6%時，導電薄膜的電導率達到最大值4.66 mS/cm，相比未添加改性MWCNTs的導電薄膜電導率提高幅度達204.6%，其電阻率也下降至214.6 Ω·cm。當MPS表面改性MWCNTs的質量分數為8%時，其在導電薄膜基材中的分散能力開始下降，納米顆粒的團聚現象造成了導電薄膜電導率的降低，當改性MWCNTs的質量分數為10%時，導電薄膜的電導率降至2.18 mS/cm，電阻率又增加至458.7 Ω·cm。

3 結 論

本研究利用3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷（MPS）改性多壁碳納米管（MWCNFs），然后將改性的MWCNTs添加到納米微晶纖維素（NCC）薄膜中，經超聲分散刮膜成形制備導電薄膜材料。

3.1 經MPS改性的MWCNTs可在NCC薄膜基材中獲得良好的分散效果，當改性MWCNTs質量分數≤6%時未見明顯的團聚現象；改性MWCNTs的添加對導電薄膜的化學結構影響并不明顯，但是當改性MWCNTs質量分數達10%時，導電薄膜的結晶度可提高44.8%，對于波長范圍為200～550 nm的光線也表現出了較強的吸收能力，抗張強度下降57.8%。

3.2 利用改性MWCNTs作為添加劑可明顯提高導電薄膜的電導率，當MPS改性MWCNTs的質量分數為6%時，電導率可達最大值4.66 mS/cm，其對應的電阻率僅為214.6 Ω·cm。但是隨著改性MWCNTs質量分數的繼續增大，納米顆粒的團聚現象會造成導電薄膜導電性能的明顯下降。

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（責任編輯：董鳳霞）