CN102162176B - 一种微纳波纹结构及其制备方法、装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微纳波纹结构的制备方法，包括：(1)将静电纺丝高分子溶液加入注射泵的注射器，并充满与高压发生器正极相连的金属喷头；(2)在注射器金属喷头下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在收集板上放置柔性基材，控制高分子溶液以一定的速度流出，并带电形成射流；(3)移动金属收集板，使射流落在柔性基材上，即在整个基材上形成波纹结构。本发明还公开了利用上述方法制备的微纳波纹结构，实现该方法的装置及该方法的应用。本发明形成的纳米纤维图形，在弹性橡胶基材的伸缩时，可跟随弹性橡胶基材进行较大的变形而不发生断裂，实现柔性电子有效的互联和拉伸，在电子皮肤、人工肌肉、生物电子等方面具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用静电纺丝工艺制备的波纹结构及其制备方法、装置和应用，属于微纳波纹结构技术领域。
背景技术
静电纺丝作为一种简单的纳米纤维生产技术，可生产出纳米尺度的纤维。由于单根纤维很难收集，目前被广泛用于无纺布的生产，无法通过编织方式制造各种图形，限制了纳米纤维的在纺织及它领域的应用。近年来，人们越来越关注于制造具有大的弹性变形能力或者能够通过仿生设计与人体或其它生物的各种复杂曲面有机融合的器件(参考文献：By Dae-Hyeong Kim et al，Advanced Materiels.2010，22，2108)，为了提高制造这种器件的可能性，Huang等提出一种用纳米带和弹性基板生成可控屈曲结构(即波纹结构)作为刚性元器件的互联层的方法，自此，波纹结构迅速上升成为研究的一个热点。该方法原理简单，设计灵活，可控性强，可通过调整纳米带的材料参数、截面、尺寸等，实现平面内或平面外的各种屈曲。使用这种方法制作出来的产品具有确定的波纹形状和尺寸，可铺展在心脏、手指等各种复杂曲面上，且具有极高的拉伸、弯曲性能，在很多领域都有良好的应用，如微机电***、薄膜计量、生物学和光学设备等(参考文献：HanqingJiang et al，PNAS.2007，104，15607；Dahl-Young Khang，Hanqingjiang，Young Huang，John A.Rogers，2006，A Stretchable Form of Single-Crystal Silicon for High-PerformanceElectronics on Rubber Substrates，Science，311中以及Hanqing j iang，Dahl-Young Khang，Jizhou Song，Yugang Sun Younggang Huang，John A.Rogers，2007，Finite DeformationMechanics in Buckled Thin Films on Compliant Supports，Appliced PhysicalSciences，104，40)。
上述文献中采用传统光刻手段在硅基材上，首先通过传统的光刻方法生成很薄的单晶硅带(厚度在纳米到亚微米级别)，之后把单晶硅带转移到有一定拉伸预应变的弹性橡胶基材上，最后去除弹性橡胶基材的预应变，使其恢复到自然状态，则硅带受挤压会在垂直于基材方向发生屈曲变形，产生规则的、周期性的、可拉伸的波纹结构。其不足如下：(1)效率低。工艺过程复杂，耗时长，无法一次完成弹性基板上的波纹结构制备；(2)成本高。需要光刻机等昂贵设备，无法大面积制造；(3)制造时，需要进行转移，残余应力高，无法有效释放；(4)对环境苛刻。需要真空等特殊环境，温度控制严格，无法在常规条件下制备。
发明内容
本发明的目的之一在于，提出一种采用静电纺丝制备波纹结构的方法，能够在常规条件下，在基板上实现大面积波纹结构的低成本可靠制造。
为实现该发明目的所采用的技术方案如下：
波纹结构的制备原理及方法，步骤如下：
(1)溶液准备。静电纺丝高分子溶液加入注射泵的注射器内，充满高压发生器正极相连的金属针头。
(2)静电纺丝。在注射器金属针头下方1～5cm位置处放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，收集板上放置弹性橡胶基材；对注射泵进行精密控制，使得高分子溶液以一定的速度流出，同时高压发生器在针头和收集板之间施加5～15KV电压，当高分子溶液极化后产生静电力，当静电力大于液滴表面张力时，形成泰勒锥，并有射流从锥尖喷射出来，在电场中高速运动，静电纺丝高分子溶液被不断拉伸形成纳米级直径的纤维，并出现螺旋形“鞭动”行为。
(3)波纹结构沉积。弹性橡胶基板固定在金属收集板上，由XY移动平台带动，沿一个方向运动，在整个基材上形成“电话线”或者正弦波等波纹结构。
所述的高分子纺丝溶液，配置重量百分比浓度合适的溶液，在一定温度下使用磁力搅拌器搅拌，并静止若干小时，用于纺丝，此溶液中高分子材料，包括聚氧化乙烯，PEDOT:PSS等溶于水的绝缘和导电材料；
其发明机理在于：极化后的高分子溶液在电场作用下形成射流，射流表面带电，由于同种电荷互相排斥，射流形成“鞭动”，加速飞向基材，在空间形成螺旋状，根据射流速度，选择运动平台合适速度，在基材上获得不同间距的波纹结构。
本发明的目的之二在于，提供一种实施上述方法的装置，其具体技术方案为：
该装置包括注射泵，与注射泵连接的注射器，该注射器前端装有与高压发生器正极相连的金属喷嘴，高压发生器，位于注射器的金属喷嘴下方处的接地的金属收集板，与金属收集板连接的运动平台，所述金属收集板上放置柔性基材，柔性基材至少是具有弹性，高介电常数的非金属材料。
所述高压发生器的输出电压为5～15KV。
所述金属收集板为以硅片为衬底的金薄膜。
所述金属收集板距离注射器的金属喷嘴为合适的距离，一般为3～10cm。
所述注射器的金属喷嘴选取合适的内径，一般内径为0.3～0.8mm。
本发明的目的之三在于，提供一种应用上述制备方法制备的微纳波纹结构。
本发明的目的之四在于，提供一种上述微纳波纹结构在柔性电子器件中的应用。采用此方法可在可弯折器件中制备的导电功能波纹结构，实现电路的互联，在弯折情况下仍然保持联通。采用此方法制备的电子器件可随意拉伸，如电子生物传感器，太阳能电池等。
本发明采用一种静电纺丝中的“鞭动”行为，配合运动平台在柔性弹性基材上直接实现波纹结构制造，可使高分子纳米纤维在基材的拉伸状况下得到波纹状结构，具有制备工艺简单，图形精确，高重复性和高可控性等特点。本方法相对于传统制作波纹结构方法具有如下优点：(1)高效率：本方法可以通过阵列化的方法实现波纹结构的快速制备；(2)低成本：本方法直接在常规环境中制备波纹结构，无需真空沉积、光刻、图案转移等工艺，并可与卷到卷制造工艺结合；(3)高可靠性：传统方法是将波纹结构转移到预应变的弹性橡胶基板上，然后释放基板，形成屈曲结构，不可避免的引入残余应力，本方法可有效避免残余应力；(4)低温工艺：本方法可直接在室温环境下制备波纹结构，与弹性橡胶兼容。
本发明用于柔性电子制造中的优点在于：可规模化的应用与柔性弹性基材上的柔性电子制造过程中，完成波纹结构的收集后，柔性基材可任意伸缩弯曲，波纹结构会逐渐被拉伸。
附图说明
图1是静电纺丝示意图；
其中1为一个注射泵，2为注射器，3为金属喷嘴3，4为高压发生器，5为柔性基材，6为金属收集板，7为运动平台；
图2是纺丝时纳米纤维的空间运动示意图；
图3是采用实例1时以镀金的硅片为收集板时，选择聚氧化乙烯(PEO)为电纺丝高分子材料进行制备，所得到的光学显微图像；
图4是采用实例3时以镀金的硅片为收集板时，选择PEDOT:PSS为电纺丝高分子材料进行制备，所得到的光学显微图像；
图5是PEDOT:PSS为电纺丝高分子在柔性基板上拉伸后，所得到的光学显微图像
具体实施方式
下面结合具体制备方法，通过实例对本发明进行具体说明：
实施例1：
A：配置重量百分比浓度为6％的聚氧化乙烯溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器3，注射器的金属喷头内径为0.8mm，金属喷头与高压发生器的正极相连；用镀金的硅片作为金属收集板5，金属收集板5距离金属喷嘴4的距离为5cm；金属收集板5固定那在运动平台X上，以5mm/s的速度沿一个方向运动，施加电压7KV进行电纺丝。
实施例2：
A：配置重量百分比浓度为6％的聚氧化乙烯溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器3，注射器的金属喷头内径为0.8mm，金属喷头与高压发生器的正极相连；用镀金的硅片作为金属收集板5，金属收集板5距离金属喷嘴4的距离为5cm；金属收集板5固定那在运动平台X上，PDMS橡胶基材6放置在金属收集板5上，以5mm/s的速度沿一个方向运动，施加电压8KV进行电纺丝。
实施例3：
A：配置重量百分比浓度为6％的PEDOT:PSS导电溶液，在25℃下使用磁力搅拌器搅拌10小时，静止2小时；
B：将上述溶液注入注射器3，注射器的金属喷头内径为0.6mm，金属喷头与高压发生器的正极相连；用镀金的硅片作为金属收集板5，金属收集板5距离金属喷嘴4的距离为3cm；金属收集板5固定那在运动平台X上，PDMS橡胶基材6放置在金属收集板5上，以7mm/s的速度沿一个方向运动，施加电压10KV进行电纺丝。
以上实施例仅提供说明步骤，其中浓度、电压、喷嘴内径、运动平台速度可根据实验情况选择合适的数值。
Claims (4)
1.一种通过静电纺丝制备波纹结构的方法，包括如下步骤：
（1）将静电纺丝高分子溶液加入注射泵的注射器内，并充满与高压发生器正极相连的注射器金属喷头；
（2）静电纺丝
在注射器金属喷嘴下方放置与高压发生器地极相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置柔性基材，控制所述高分子溶液以一定的速度流出，同时所述高压发生器在所述金属喷头和所述收集板之间施加一定电压，使高分子溶液带电并形成射流；
（3）波纹结构沉积
射流形成“鞭动”，加速飞向基材，在空间形成螺旋状，根据射流速度，移动所述金属收集板，使射流均匀落在柔性基材上，即可在整个基材上形成波纹结构；
其中，所述的高分子溶液为聚氧化乙烯溶液或PEDOT：PSS溶液；
所述柔性基材为弹性橡胶基材；
所述金属阴极收集板是以硅片为衬底的金薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压发生器（4）上施加的电压为5～15KV。
3.权利要求1或2所述的方法制备的波纹结构。
4.权利要求3所述的波纹结构在柔性电子器件中的应用。
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