[发明专利]一种透明导电光纤及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料制备技术领域，具体涉及一种透明导电光纤及其制备方法。

背景技术

光纤是一种细长的、圆柱形的光波导介质，是现代光通信技术的重要基石。传统光纤以玻璃和透明树脂为原料，其结构由内到外主要可分为纤芯、皮层和涂覆层三部分。纤芯的折射率高于皮层的折射率，利用纤芯与皮层界面处的全内反射现象使光束缚于纤芯内并沿着光纤传输。涂覆层通常为透明有机物，沉积在皮层外表面，主要起保护皮芯结构和提高光纤强度的作用。在光纤传输中，纤芯是光信号能量集中地，皮芯之间的全内反射是光纤传输光的基本原理，而涂覆层的存在与否对光纤导光功能将不会产生致命性的影响。将光纤涂覆层由传统的透明有机物改为透明导电氧化物，可在保护光纤的同时赋予光纤导电性能。在光纤通信以及光纤传感系统中，某些电子元件和传感元件的运作需要外部供电，增加了光纤系统的复杂性。提供一种透明导电的新型光纤可使该问题简化。申请号为200810118703.9的中国专利公开的一种光电同传纤维及其制造方法，通过对嵌有金属丝的光纤预制棒拉制获得同时具备导电和导光功能的纤维。但由于光纤和金属丝的热膨胀系数不同，在冷却阶段中金属丝附近区域会发生热应力集中从而导致光电同传纤维产生内部缺陷。此外，该种光电同传纤维无法具备传统光纤的整体透光性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种透明导电光纤及其制备方法。特别是提供一种负载着透明导电氧化物纳米纤维膜的新型光纤的制备方法。该方法对光纤损伤小，所获产物具有透明、导电、导光等特点。

为了解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种透明导电光纤，包括裸光纤，裸光纤由纤芯和包裹于其外侧的皮层组成；在皮层的外侧还负载了一层透明导电氧化物纳米纤维膜；所述透明导电氧化物纳米纤维膜的成分是：金属氧化物SnO₂、CdO、In₂O₃、ZnO、Ga₂O₃、Cu₂O或SrTiO₄中的任意一种，或所述金属氧化物的任意掺杂体系，包括n型掺杂和p型掺杂。

本发明进一步提供了该透明导电光纤的制备方法，包括以下步骤：

（1）取金属盐前驱体和高聚物溶于极性溶剂中，金属盐前驱体∶高聚物的质量比为1∶1；在室温下经8小时搅拌后，获得均一的纺丝溶液；

所述金属盐前驱体是指：与金属氧化物SnO₂、CdO、In₂O₃、ZnO、Ga₂O₃、Cu₂O或SrTiO₄相应的无机盐或有机盐中的任意一种，或所述金属盐前驱体的各种掺杂体系；所述高聚物是聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷或聚醋酸乙烯脂；

（2）由旋转式收集装置带动裸光纤稳定旋转，通过静电纺丝方法将纺丝溶液转化为纳米纤维并沉积在裸光纤外侧，形成前驱体纳米纤维膜；

所述裸光纤由纤芯和包裹于其外侧的皮层组成；

（3）将表面负载前驱体纳米纤维膜的光纤放入马弗炉中于500～800℃煅烧氧化2～3小时，去除前驱体纳米纤维膜中所含的高聚物成分；待马弗炉自然降温后，即得到表面负载透明导电氧化物纳米纤维膜的透明导电光纤。

本发明中，所述极性溶剂是N,N-二甲基甲酰胺，水或乙醇。

本发明中，在使用裸光纤之前，对裸光纤进行表面前处理，然后自然晾干备用；所述前处理包括下述4个步骤：

（a）将裸光纤放入去离子水中超声处理；

（b）将裸光纤放入40wt%的氢氧化钠水溶液中除油处理；

（c）将裸光纤放入纯氢氟酸中粗化处理；

（d）将裸光纤放入pH12的十二烷基苯磺酸钠氨水溶液中表面活化。

本发明中，所述旋转式收集装置是指由马达、传动装置及可调节夹具组成的静电纺丝收集装置，能夹持各种直径的裸光纤，并带动其在500～3000r/min转速范围内稳定旋转。

本发明中，所述裸光纤是由普通石英光纤通过物理剥离、高温煅烧或化学腐蚀的方法去除其最外层的有机物涂覆层而获得。

本发明中，所述普通石英光纤是指纤芯直径小于1毫米、纤芯直径与包层外径比任意的单模石英光纤或多模石英光纤。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：