專利名稱：一種將無序微納米纖維打印成有序排列纖維陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于靜電紡絲和微納米電子器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于納米電子器件和光電器件的有序排列微納米纖維制備方法，特別是一種采用滑移打印技術(shù)將靜電紡絲制備的無序微納米纖維打印成有序排列纖維陣列的方法。
背景技術(shù)：
制備和組裝有序排列的納米線/纖維是目前納米技術(shù)和納米器件的重要研究方向之一。因?yàn)橛行蚺帕械奈⒓{米纖維陣列取向性好，與單根納米線/纖維器件相比，更容易實(shí)現(xiàn)納米器件的大規(guī)模組裝、集成化和實(shí)用化；與無序排列的纖維薄膜相比，有序納米線/纖維陣列在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，在高頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ACS Nano 2010 ;4 :5855)、氣體傳感器(Sensors and Actuators B2010 ； 145 :232)、人工皮膚 (Nature Materials 2010 ;9 :821)、納米發(fā)電機(jī)(Nano Letters 2010 ;10 :3151)、太陽能電池(Applied Physics Letters2008 ;92 :183107)、光學(xué)偏振器件(中國專利申請(qǐng)?zhí)? 200810018826. 5)等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。目前報(bào)道的納米線/纖維組裝方法主要有微流體組裝(Science 2001 ;291 :630)、電場(chǎng) / 磁場(chǎng)輔助組裝(Applied Physics Letters 2000 ；77 :1399. Chemistry of Materials 2005 ; 17 :1320)、LB 膜技術(shù)(Nano Letters 2003 ；3 1255)、氣泡膨脹技術(shù)(Nature Nanotechnology 2007 ；2 :372)、滾動(dòng) / 接觸打印 (Applied Physics Letters2007 ；91 :203104. Nano Letters 2008 ；8 :20)等。此外，中國專利(申請(qǐng)?zhí)?00910025626. 7)還公開了一種利用靜電紡絲纖維作為模板從溶劑中組裝一維納米線陣列的方法。現(xiàn)有的納米線和納米纖維的制備方法有很多，例如化學(xué)氣相沉積、模板法、化學(xué)自組裝法、靜電紡絲等；靜電紡絲技術(shù)是一種制備微納米纖維的簡(jiǎn)單易行的方法，其主要特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作、實(shí)驗(yàn)成本低且適用于許多不同種類的材料，靜電紡絲制備的微納米纖維直徑范圍在幾個(gè)納米到幾個(gè)微米之間，纖維產(chǎn)率較高；但是常規(guī)的靜電紡絲裝置制備的微納米纖維是以無紡布的形式存在的，纖維排列是無序的，這限制了電紡纖維在納米電子器件和光學(xué)器件等某些方面的應(yīng)用。近年來，研究人員通過改進(jìn)傳統(tǒng)靜電紡絲裝置，成功提高了電紡微納米纖維的有序排列程度，已公開的方法有滾筒收集、平行電極或狹縫收集、 框架收集、輔助外電場(chǎng)或磁場(chǎng)收集等。例如，專利申請(qǐng)人課題組報(bào)道了一種狹縫和臺(tái)階收集的方法(Chinese Physics Letters2008 ;25 :3067)，還提出了一種低壓離心靜電紡絲方法(中國專利申請(qǐng)?zhí)?01010184068. 1)以及使用復(fù)合框架收集技術(shù)(中國專利申請(qǐng)?zhí)?201110137420. 0)來制備有序排列的微納米纖維。這些方法都是通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、特別是對(duì)電紡纖維收集裝置進(jìn)行改進(jìn)來提高纖維的有序性，但是也存在一些問題或限制。例如，這些方法需要對(duì)收集屏進(jìn)行預(yù)處理或加工，收集的有序纖維的面積比較小，對(duì)收集屏的材料有限制，不能隨意地大規(guī)模地在非導(dǎo)電的柔性或彈性襯底(玻璃片、塑料片、橡膠模、紙片等) 上收集有序纖維。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，在不改變常規(guī)靜電紡絲裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)o序排列的微納米纖維轉(zhuǎn)變成有序排列纖維的打印方法，并且擴(kuò)展目標(biāo)襯底的適用范圍；所采用的滑移打印方法，可大規(guī)模地將常規(guī)靜電紡絲制備的無序微納米纖維通過接觸打印，有選擇性地轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上并轉(zhuǎn)變成有序排列的纖維，目標(biāo)襯底采用硬質(zhì)硅片和玻璃片，或采用軟質(zhì)塑料片和紙片，有序纖維在目標(biāo)襯底上的打印位置，以及目標(biāo)襯底的面積操作可控，利于促進(jìn)靜電紡絲纖維在納米電子器件，特別是柔性納米器件方面的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的滑移打印制備有序排列微納米纖維的方法，制備和打印有序排列微納米纖維時(shí)選用常規(guī)的靜電紡絲裝置，在先制得無序排列微納米纖維的基礎(chǔ)上，再用機(jī)械壓力代替滾筒和框架收集方式對(duì)微納米纖維進(jìn)行有序化排列，實(shí)現(xiàn)微納米纖維從收集襯底到目標(biāo)襯底的轉(zhuǎn)移；先將載有無序纖維的收集襯底旋轉(zhuǎn)180°后，反壓在另一塊目標(biāo)襯底上，使無序排列的微納米纖維恰好夾在收集襯底和目標(biāo)襯底之間；再對(duì)帶有無序排列微納米纖維的收集襯底施加一個(gè)豎直壓力使上面的收集襯底和下面的目標(biāo)襯底之間形成擠壓力，并按壓住上面的收集襯底且保持目標(biāo)襯底不動(dòng)，然而平行滑移收集襯底，使收集襯底和目標(biāo)襯底逐漸錯(cuò)開至分離；最后在目標(biāo)襯底上得到有序排列的微納米纖維。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)，一是將纖維有序轉(zhuǎn)移到各種硬質(zhì)、軟質(zhì)、導(dǎo)電或絕緣襯底上， 拓展了目標(biāo)襯底的范圍；二是不改變常規(guī)靜電紡絲裝置結(jié)構(gòu)，不需要輔助電場(chǎng)或磁場(chǎng) ’三是實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、易于操作；四是適用范圍廣，多種材料的無序排列微納米纖維都可通過滑移打印得到有序纖維；五是對(duì)紡絲電壓、紡液濃度等條件沒有直接限制；其總體操作工藝簡(jiǎn)便，適用條件寬松，目標(biāo)襯底范圍廣，節(jié)省能源，打印效果好。


圖1為本發(fā)明的工作原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明制備的聚偏氟乙烯(PVDF)微納米纖維的掃描電鏡(SEM)照片其中圖2(a)為收集襯底上無序PVDF微納米纖維的SEM照片；圖2 (b)為目標(biāo)襯底上有序排列 PVDF纖維的SEM照片。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖做進(jìn)一步說明。本實(shí)施例使用常規(guī)的靜電紡絲裝置，所選的紡絲溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)溶液，先將3. 1克PVDF顆粒在磁力攪拌下緩慢加入12. 4克二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide, DMS0)和丙酮(acetone)的混合溶液中(DMS0 和acetone的質(zhì)量比為1 1，各6. 2克)；將混合溶液加熱到40_60°C磁力攪拌1小時(shí)，靜置半小時(shí)，即得質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的PVDF靜電紡絲前驅(qū)體溶液；再將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的PVDF靜電紡絲前驅(qū)體溶液注入到針尖接有高壓電源正極的注射器中，選取水平放置的硅片作為收集襯底2，高壓電源提供的紡絲電壓為10千伏左右，注射器針尖與收集極平板之間的工作距離為7-8厘米，接通電源在室溫下進(jìn)行常規(guī)靜電紡絲，靜電紡絲得到的無序排列微納米纖維承接在收集襯底2上；紡絲結(jié)束，關(guān)閉電源。本實(shí)施例將收集有無序排列微納米纖維1的硅片作為的收集襯底2，再取一塊玻璃片固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水平面上作為目標(biāo)襯底5 ；將載有無序排列微納米纖維1的收集襯底2翻轉(zhuǎn)180°后倒扣在目標(biāo)襯底5上，無序排列微納米纖維1恰好夾在上邊的收集襯底2 和下邊的目標(biāo)襯底5之間，上邊的收集襯底2和下邊的目標(biāo)襯底5豎直方向?qū)φ粚?duì)載有無序排列微納米纖維的收集襯底2施加豎直壓力4，使兩襯底間有效擠壓但又不會(huì)壓斷無序排列微納米纖維1 ；同時(shí)，對(duì)收集襯底2上施加緩慢的水平推力3，使得兩襯底由豎直正對(duì)逐步分開至分離；在分離后的目標(biāo)襯底5上得到有序排列微納米纖維6 ；圖2(a)為收集襯底上無序排列的PVDF微納米纖維的掃描電鏡SEM照片，圖2(b)為目標(biāo)襯底上通過滑移打印方法得到的有序排列PVDF微納米纖維的SEM照片。本實(shí)施例除了硬質(zhì)玻璃片外，無序PVDF纖維還可以通過滑移打印技術(shù)有序轉(zhuǎn)移到硬質(zhì)Si02/Si或Si片、或者軟質(zhì)塑料片和紙片上；除了 PVDF纖維，其它材料(例如聚苯乙j；希(polystyrene, PS)禾口聚甲基丙j；希酸甲酉旨(poly(methyl methacrylate), PMMA))的電紡無序排列微納米纖維也可通過滑動(dòng)打印方法在不同目標(biāo)襯底上打印成有序排列微納米纖維。
權(quán)利要求
1. 一種將無序微納米纖維打印成有序排列纖維陣列的方法，其特征在于制備和打印有序排列微納米纖維時(shí)選用常規(guī)的靜電紡絲裝置，在先制得無序排列微納米纖維的基礎(chǔ)上， 再用機(jī)械壓力代替滾筒和框架收集方式對(duì)微納米纖維進(jìn)行有序化排列，實(shí)現(xiàn)微納米纖維從收集襯底到目標(biāo)襯底的轉(zhuǎn)移；先將載有無序纖維的收集襯底旋轉(zhuǎn)180°后，反壓在另一塊目標(biāo)襯底上，使無序排列的微納米纖維恰好夾在收集襯底和目標(biāo)襯底之間；再對(duì)帶有無序排列微納米纖維的收集襯底施加一個(gè)豎直壓力使上面的收集襯底和下面的目標(biāo)襯底之間形成擠壓力，并按壓住上面的收集襯底且保持目標(biāo)襯底不動(dòng)，然而平行滑移收集襯底，使收集襯底和目標(biāo)襯底逐漸錯(cuò)開至分離；最后在目標(biāo)襯底上得到有序排列的微納米纖維。
全文摘要
本發(fā)明屬于靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用滑移打印技術(shù)將靜電紡絲制備的無序微納米纖維打印成有序排列纖維陣列的方法，選用常規(guī)的靜電紡絲裝置，在先制得無序排列微納米纖維的基礎(chǔ)上，將載有無序纖維的收集襯底旋轉(zhuǎn)180°后，反壓在目標(biāo)襯底上，使無序排列的微納米纖維恰好夾在收集襯底和目標(biāo)襯底之間；再對(duì)帶有無序排列微納米纖維的收集襯底施加一個(gè)豎直壓力使上面的收集襯底和下面的目標(biāo)襯底之間形成擠壓力，并按壓住上面的收集襯底且保持目標(biāo)襯底不動(dòng)，然而平行滑移收集襯底，使兩襯底逐漸分離；最后在目標(biāo)襯底上得到有序排列的微納米纖維；其總體操作工藝簡(jiǎn)便，適用條件寬松，目標(biāo)襯底范圍廣，節(jié)省能源，打印效果好。
文檔編號(hào)D02J1/14GK102409462SQ20111025557
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者孫彬, 張志華, 鄭杰, 龍?jiān)茲?申請(qǐng)人:青島大學(xué)