高介电性能柔性透明纤维素混合薄膜的研究报告

作者及发表信息

本研究的通讯作者为Jang-Ung Park，合作作者包括Sangyoon Ji, Jiuk Jang, Eunjin Cho等，来自韩国多个研究机构。该研究于2017年4月18日发表在Advanced Materials期刊（Volume 29, Issue 24, Article 1700538），目前已被引用117次。

研究背景

随着可穿戴电子设备（如智能手表、智能眼镜、医疗监测设备）的快速发展，柔性触摸屏面板（TSP, Touchscreen Panel）的需求日益增长。然而，传统的玻璃材料虽然具有高介电常数（k≈7.2）和良好的机械稳定性，但因其脆性无法用于柔性设备。而现有的透明塑料薄膜（如PET、PI等）虽然柔韧，但介电常数较低（k≈2.2–3.4），导致触摸灵敏度不足。此外，过去的研究尝试通过添加导电纳米填料（如银纳米颗粒AgNPs、碳纳米管）提高介电性能，但高填料含量会降低透明度和机械性能。

因此，本研究的目标是开发一种柔性、透明、高介电常数（k）的薄膜材料，同时保持优异的机械强度和热稳定性，以满足下一代柔性电子设备的需求。

研究方法与流程

1. 纤维素纳米纤维（CNF）薄膜的制备

• 材料选择：采用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）氧化纤维素纳米纤维（CNF）作为基体材料，因其具有高透明度（≈90%）、低热膨胀系数（CTE≈0.1 ppm/K）和良好的机械性能（杨氏模量≈4.3 GPa）。
  
• 填料选择：使用银纳米纤维（AgNFs）作为导电填料，因其高长径比（aspect ratio）可显著提高介电常数，同时保持高透明度。
  

2. 银纳米纤维（AgNFs）的制备与调控

• 电纺丝法（Electrospinning）：将银纳米颗粒（AgNPs）悬浮液电纺到旋转鼓收集器上，形成高度排列的超长AgNFs（初始长度≈200 µm，直径≈300 nm）。
  
• 拉伸法控制长度：通过机械拉伸（拉伸速率12.5–50 cm/s）使AgNFs断裂，从而调控其长度（50–200 µm）和长径比（167–700）。
  
• 牺牲层溶解：使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为牺牲层，拉伸后溶解PVP，得到分散的AgNFs溶液。
  

3. 高k CNF薄膜的制备

• 混合与过滤：将AgNFs与CNF悬浮液混合，通过真空过滤形成薄膜。
  
• 热压干燥：在60°C、10 MPa压力下热压10小时，确保薄膜致密化。
  
• 环氧树脂涂层：为提高耐水性，在CNF薄膜表面涂覆SU-8环氧树脂（厚度≈50 µm）。
  

4. 性能测试

• 介电性能：在120 kHz频率下测量介电常数（k），AgNFs-CNF薄膜的k值可达9.2（填料含量1.2 wt%），远高于纯CNF薄膜（k=3.3）。
  
• 光学性能：AgNFs-CNF薄膜在550 nm波长下透光率≈90%，雾度（haze）%。
  
• 机械性能：杨氏模量≈4.3 GPa，拉伸强度≈205 MPa，优于PET（2 GPa, 55 MPa）和PI（2.5 GPa, 68 MPa）。
  
• 热稳定性：热膨胀系数（CTE）≈8.4 ppm/K，接近玻璃（9 ppm/K）。
  
• 触摸灵敏度测试：在柔性TSP中，AgNFs-CNF薄膜的电容变化（ΔC/C₀）达62%，是AgNPs-CNF薄膜（24%）的2.6倍。
  

主要研究结果

1. 高介电常数与高透明度的平衡

   • AgNFs的长径比（aspect ratio）是影响k值的关键因素。长径比=700时，k=9.2；而球形AgNPs（长径比=1）仅k=4。
     
   • 高长径比AgNFs形成的开放网络结构减少了光散射，使透光率保持在90%。
     

2. 优异的机械与热性能

   • CNF基体的高机械强度使薄膜在10,000次弯曲（半径0.5 mm）后仍保持介电性能（k值仅下降3.2%）。
     
   • 低CTE（8.4 ppm/K）使其适用于温度变化环境。
     

3. 触摸屏应用验证

   • 在智能手机TSP测试中，AgNFs-CNF薄膜的触摸灵敏度显著高于商用塑料薄膜，证明其实际应用潜力。
     

研究结论与价值

本研究通过多维金属纳米结构调控，成功开发了一种兼具高介电常数、高透明度、优异机械和热稳定性的纤维素混合薄膜。其科学价值在于：
1. 材料设计创新：通过控制AgNFs的长径比，实现了高k值与高透明度的协同优化。
2. 工艺突破：拉伸法精确调控纳米纤维长度，解决了传统填料分散不均的问题。
3. 应用前景广阔：该薄膜可应用于柔性触摸屏、可穿戴电子设备等领域，推动下一代柔性电子技术的发展。

研究亮点

1. 高长径比AgNFs的介电增强效应：长径比=700时，k值提升至9.2，远超传统塑料（k≈3）。
   
2. 光学-机械-热学性能的协同优化：在保持90%透光率的同时，机械强度接近玻璃。
   
3. 可扩展的制备工艺：电纺丝+拉伸法适用于大规模生产。
   

其他有价值内容

• 本研究还对比了不同填料（AgNPs、AgNWs、AgNFs）的性能差异，证明AgNFs的优越性。
  
• 通过有限时域差分（FDTD）模拟分析了光散射机制，为材料设计提供理论支持。
  

该研究为柔性电子设备的保护层材料提供了新的解决方案，具有重要的科学和工程意义。