汽车智能内饰重要的透明导电高分子材料PEDOT介绍

背景:汽车内饰智能表面是装饰性表面(铝、木材、塑料或织物材料)和电子系统的整合,包括触摸感应、照明/氛围灯、表面激活可振动等等,而这些功能的实现,都需要导电材料的参与,透明导电材料是智能表面中最核心的材料之一。

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PEDOT是EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物,分子结构式见右图。PEDOT具有分子结构简单、能隙小、电导率高等特点,被广泛用作有机薄膜太阳能电池材料、OLED材料、电致变色材料、透明电极材料等领域的研究。

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与其他导电聚合物相比,PEDOT还有以下这些优点:

(1) 导电率高

用旋涂或者浇铸成膜得到的PEDOT其电导率能达到550S/cm,用气相聚合法得到的聚合物更是达到1000S/cm以上;

(2) 氧化状态下具有很高的稳定性

在120℃下保持1000h,其电导率基本不变;

(3) 氧化状态下是透明的

这是它在电子器件方面得到广泛应用的一个重要因素。

但PEDOT本身为不溶性聚合物限制了其应用。随后,采用一种水溶性的高分子电解质聚苯乙烯磺酸(PSS)掺杂解决了PEDOT的加工问题,获得的PEDOT/PSS膜具有高电导率、高机械强度、高可见光透射率和优越的稳定性等。此后,PEDOT应用领域得到了快速发展,尤其是以PEDOT为基材而开发出来的新材料、新工艺、新元件等得到了充分发展。

PEDOT:PSS的发展历史

德国拜耳公司在1988年首先合成出了聚噻吩的衍生物聚乙烯二氧噻吩, 即PEDOT,它以3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)为单体,它具有导电率高、环境稳定性好等特点引起了科学家们的广泛兴趣。

2001年左右,拜耳将其Baytron®导电聚合体业务卖给了H.C.Starck,商品名改为Clevios;

2009年3月,Clevios业务集团成为了一家独立的法律实体,但仍在H.C.Starck旗下;

2010年第1季度,Agfa与Clevios签订交叉许可协议;

2010年9月2日,H.C.Starck宣布将Clevios出售给Heraeus;

目前,Heraeus仍将Clevios视为一个独立的部门.

PEDOT和PEDOT:PSS的微观结构和导电性

首先,我们先了解下PEDOT:PSS的化学与微观结构。如图1所示,PEDOT: PSS由于两个聚电解质的紧密结合,具有复杂的结构。在水溶液中,PEDOT的一部分与PSS束紧密相连。这些束在水中形成凝胶颗粒的胶体。粒子中心为PEDOT富集区,外围是亲水PSS富集区。因此,PEDOT:PSS的沉积和干燥形成了具有丰富PEDOT内核和丰富PSS外壳的片状颗粒。薄膜的形貌和电导率在很大程度上受到加工方法和配方中包含的任何其他添加剂(通常称为二次掺杂剂)的影响。如PEDOT:PSS经硫酸处理后的电导率高达4380 S cm-1,而没有任何二次掺杂的导电率<10 S cm-1。PEDOT的电导率仅与温度有微弱的依赖关系。然而,对于PEDOT:PSS,导电率随温度、导热率和热稳定性变化而变化,且高度依赖于薄膜的化学成分和形貌。

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图1 PEDOT:PSS的化学结构及其水中分散后的微观结构示意图

普利司通、德国世泰科、日本旭化成FINECHEM、日本山梨大学、三洋电机、东京工业大学等都在相关的领域开展了研究工作。目前,以PEDOT为功能材料的产品产业化的有比利时爱克发材料(Agfa Materials)、德国贺利氏。

爱克发

比利时爱克发公司(Agfa)的OrgaCon系列的PEDOT导电油墨产品有:

  • 活性成分为PEDOT:PSS的 Orgacon® EL-P 3040活性成分为PEDOT:PSS的 Orgacon® P 3042活性成分为PEDOT:PSS的 Orgacon® EL-P 6010 (双固化:热固化和UV固化)
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上图为:以Agfa公司的Orgacon产品作为电极材料的柔性OLED

ORGACON™ 透明导电丝网印刷油墨

Orgacon EL-P 系列丝网印刷油墨基于高分子导电聚合物PEDOT/PSS,能通过丝网印刷的方式形成透明导电的图案,从实地块到100 微米的细线都可实现。适用的基材包括PET, PC, PMMA, PI 和玻璃等柔性基材和刚性基材。EL-P 系列丝网印刷油墨具有优异的柔软性和透明电极形成性,适用于电致发光冷光源(EL),电容式触控感应器和薄膜开关等领域。

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特性

  • 固含量2.5 – 5.5% wt.颜色蓝色储存在4 °C 至25 °C 条件下,保质期一年(EL-P3040 两年)
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贺利氏

贺利氏显示与半导体材料部旗下品牌的Clevios™ PEDOT:PSS系列产品涵盖各种抗静电以及高导电应用材料。

Clevios™PEDOT:PSS导电聚合物

通过掺杂工艺从本征导电聚合物,如聚苯胺、聚吡咯、聚氧噻吩的共轭 π 轨道上除去一个电子后,这些材料便具有了导电性。导电性由沿聚合物主链进行的电子离域效应产生 – 因此用术语“合成金属”表示。三十年来,导电聚合物成为一项被深入研究的课题。Alan Heeger、AlanMacDiarmid和Hideki Shirakawa因“发现、研发导电聚合物”而获得2000年度诺贝尔化学奖。

Clevios™PEDOT:PSS 是一种含有聚阴离子的替代型聚噻吩离子键聚合物复合物,也是迄今为止一种在商用产品中发现的导电性最高的材料:可达到1000 S/cm。我们可提供以下形式的产品:用于原位聚合的单体产品、水基分散体产品、或者与溶剂和添加剂混合的即用型配方材料。

Clevios™具有什么特性?

Clevios™ 指各种单体、催化剂(氧化剂)、聚合物系列产品以及这些产品的专用配方材料(用于形成导电性聚合物薄涂层)。

  • 导电聚合物(最高可达 1000 S/cm)良好的化学稳定性透明(厚度100nm 时, 最高可达 90%)易于使用聚合物分散体或原位聚合操作安全可根据特定应用要求提供定制产品良好的热/紫外线稳定性工业规模产品

贺利氏利用PEDOT,商标名称 Clevios™,研发出特性出色的最新一代导电聚合物:导电性好、透明度高、稳定性好、易于加工。

贺利氏公司的导电聚合物Clevios™具有许多应用领域,如电容器、防静电处理、导电透明薄膜、新型显示器OLED、触摸屏、有机太阳能和印刷电子等等。

CLEVIOS™PEDOT:PSS 材料为我们打开通向全新应用领域的大门。只要您需要一种可以象液体一样易于使用的透明电极,就请考虑使用我们的 CLEVIOS™ 聚合物材料。CLEVIOS™分散体及配方材料可通过不同的工艺技术形成涂层,如涂覆、喷涂或甚至在塑料和玻璃基材上印刷。涂好的湿膜可在80-130℃之间的中等温度范围内干燥。干膜无需进一步热处理就可直接使用。所形成膜的表面电阻率变化范围大,从能够抗静电(10E8 欧姆/平方)到高导电性(200欧姆/平方),且具有超过85%的高透光率。但是,CLEVIOS™ 分散体不仅可覆盖扁平基材,还可在多孔的钽和铝电容器上形成涂层。液态导电聚合物可穿过整个电容器结构,可实现良好的电气接触。

智能时代,汽车触控开关取代传统按键开关是大势所趋,但触控开关要做的还有很多:比如说当前最重要的做好反馈,防止误操作。技术的进步需要主机厂、方案设计、零部件供应商、材料企业等的共同努力。

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江耀贵

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