[發(fā)明專利]基于機械力拉伸的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310344883.3
• 申請日: 2013-08-08
• 公開（公告）號: CN103434127A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣維濤;劉紅忠;馬浩赟;王蘭蘭;尹磊;史永勝;陳邦道;丁玉成
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學
• 主分類號: B29C55/02
• 分類號: B29C55/02;B82Y40/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納制造領(lǐng)域，涉及一種基于機械力拉伸的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)

大深寬比的聚合物納米纖維因在傳感器、生物學、仿生學等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，其制備方法一直是微納制造領(lǐng)域的熱門課題。目前有多種技術(shù)用于制備不同結(jié)構(gòu)的納米纖維，以滿足不同的需求。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要有電紡絲法、微納加工方法、自組裝法等等。電紡絲的原理是當對帶電液體（聚合物、金屬氧化物漿料等）施加的電場力超過液體表面張力時，帶電液體以纖維束的形式從噴絲口激射而出，在收集板上形成納米纖維。該方法可制造長徑比超過100的取向一致的納米纖維，廣泛應(yīng)用于制備納米纖維織構(gòu)化表面。但電紡絲方法僅適于在收集板面內(nèi)制備超大長徑比納米纖維，難以實現(xiàn)直立對正的納米柱結(jié)構(gòu)。

微納加工方法是指綜合運用多種微納加工手段，如電子束直寫（EBL）+等離子體刻蝕工藝（如，RIE、ICP），納米壓印復型工藝等，制備出直立納米柱結(jié)構(gòu)。然而，其昂貴成本、耗時長及長時間寫入時電子束系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，難以實現(xiàn)大面積制造。

用材料特征性能的“自組裝”法是指在材料氧化過程或薄膜生長過程中，通過工藝條件優(yōu)化，控制薄膜內(nèi)應(yīng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)直立的納米纖維結(jié)構(gòu)制造。如該方法嚴重受制于材料與采用的工藝，且制備的納米纖維結(jié)構(gòu)在具有周期性，難以實現(xiàn)定向、定域化制造。

以上這些方法均很難實現(xiàn)傾斜角度可控的納米纖維陣列的制備，特別是端部有質(zhì)量塊的納米纖維陣列的制備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種基于機械力拉伸的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)及其制備方法，該方法能夠制備端部有質(zhì)量塊的納米纖維陣列。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于機械力拉伸的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

1）采用復型方法制備柔性孔陣列模具，柔性孔陣列模具通過模具背襯吸附在機械臺上平面的下表面上；

2）將聚合物的溶液涂覆于基材上形成聚合物薄膜，聚合物薄膜通過基材吸附在機械臺下平面的上表面上；

3）通過調(diào)整機械臺上平面與機械臺下平面的間距，將柔性孔陣列模具壓在聚合物薄膜上，使柔性孔陣列模具與聚合物薄膜接觸，并放置在真空環(huán)境中，使聚合物薄膜充分填充入柔性孔陣列模具中；

4）最后通過柔性孔陣列模具對聚合物薄膜進行機械拉伸，拉伸完成后固化脫模，制備出端部有質(zhì)量塊的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)。

所述步驟1）中，柔性孔陣列模具的具體制備方法如下：

首先在硅片基材上通過光刻和等離子體刻蝕的方法制備出圓柱陣列的硅模具，之后通過復型的方法得到與硅模具結(jié)構(gòu)互補的柔性孔陣列模具；柔性孔陣列模具為能夠與聚合物薄膜保持良好的接觸的PDMS或氟樹脂柔性模具；柔性孔陣列模具上孔的特征尺寸為500nm～20μm，深度為500nm～10μm，孔陣列化密度為25²～500²孔/mm²。

所述步驟2）中的聚合物材料為熱塑性材料或光固化材料；

當聚合物材料為熱塑性材料時，將熱塑性材料加熱至粘流態(tài)溫度以上，使得熱塑性材料填充入柔性孔陣列模具中，并保持溫度，通過控制柔性孔陣列模具移除的方向，對填充到柔性孔陣列模具的熱塑性材料進行機械拉伸；隨后冷卻固化，進行脫模，形成端部有質(zhì)量塊的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)；

當聚合物材料為光固化材料時，先將光固化材料填充入柔性孔陣列模具中；然后通過控制柔性孔陣列模具移除的方向，對光固化材料進行機械拉伸；最后對拉伸的納米纖維結(jié)構(gòu)進行光固化，形成端部有質(zhì)量塊的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)。

所述步驟2）中，聚合物薄膜通過旋涂法或者提拉法涂覆于基材上，薄膜厚度為1μm～10μm。

所述步驟3）中，基材為剛性基材或柔性基材。

所述的剛性基材為玻璃或硅，柔性基材為塑料或金屬箔。

所述步驟4）中，通過控制柔性孔陣列模具對聚合物薄膜機械拉伸的方向，制備出具有20°～90°的傾斜角度的納米纖維結(jié)構(gòu)。

所述步驟4）中，通過控制柔性孔陣列模具對聚合物薄膜機械拉伸的方向，使柔性孔陣列模具垂直向上脫模，制備出垂直的納米纖維結(jié)構(gòu)。

一種基于機械力拉伸的大深寬比納米纖維結(jié)構(gòu)，制備出的納米纖維結(jié)構(gòu)具有20°～90°的傾斜角度，且納米纖維結(jié)構(gòu)的直徑為10nm～1000nm，高度為20μm～40μm。