三维纳米结构的形成方法技术

本发明专利技术公开了一种三维纳米结构的形成方法，采用静电纺丝将纺丝液形成纳米纤维，并通过导电收集板接收该纳米纤维，从而形成具有花纹图案的三维纳米结构；花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列；导电收集板具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，次顶点平面的高度介于谷点平面的高度与顶点平面的高度之间；次顶点平面与顶点平面之间的距离为起伏高度hi，其中，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，起伏高度hi为0.01～10mm。本发明专利技术可获得呈花纹形状排列且含有三维无序排列结构的纳米纤维网。

Three dimensional nanostructure formation method

The invention discloses a method for forming a three-dimensional nanostructure by electrospinning the spinning solution into nanofibers and receiving the nanofibers through a conductive collector plate, thereby forming a three-dimensional nanostructure with a pattern; at least part of the nanofibers in the pattern are arranged in three-dimensional disorder; and the conductive collector plate is used to collect the nanofibers. A plurality of three-dimensional undulating structures with ordered arrangement; each of the three-dimensional undulating structures has a valley plane, a vertex plane and a sub-vertex plane, the height of which is between the height of the valley plane and the height of the vertex plane; the distance between the sub-vertex plane and the vertex plane is the undulating height hi, where i, Represents the number of sub-vertex planes, and is a natural number of 1-100, fluctuation height hi is 0.01-10 mm. The invention can obtain a nanofiber network arranged in a pattern shape and containing a three-dimensional disordered arrangement structure.

【技术实现步骤摘要】
三维纳米结构的形成方法
本专利技术涉及一种三维纳米结构的形成方法，尤其是一种模板辅助的三维纳米结构的形成方法。
技术介绍
静电纺丝技术起源于20世纪30年代，并在近30年的时间里蓬勃发展。静电纺丝技术可以获得直径分布从几个纳米到几个微米的各种超细纤维，被公认为是具有大规模生产制造纳米纤维材料的最重要方法之一。通常的静电纺丝纤维集合体是以无规取向纤维构成的无纺布性质存在。当带电的聚合物液滴受到电场力的作用在纺丝喷嘴(或者其他形式的纺丝喷头)处形成泰勒锥且电荷密度足够高的时候，同种电荷之间的静电排斥力会克服聚合物液体的表面张力使聚合物液体分裂成若干射流；这些射流在高压电场力的作用下不断拉升，形成纳米或者亚微米级纤维，并以无序状排列在收集装置上。例如，CN102652189A公开了一种纳米纤维制造装置，包括：流出体，具有使原料液流出到空间中的流出孔；带电电极，以与流出体隔开规定的间隔而被配置；带电电源，将规定的电压施加到流出体与带电电极之间；诱引电极，是用于产生诱引在空间中被制造的纳米纤维的电场的电极，该诱引电极的表面具有使诱引的纳米纤维堆积的呈面状的堆积区域A；诱引电源，向所述诱引电极施加规定的电位；以及绝缘层，其被配置在整个所述堆积区域，并抑制因被堆积到堆积区域的纳米纤维而造成的电阻值的不均匀。该装置可以制造膜厚均一且质量均一的纳米纤维的堆积物，纳米纤维是二维无序排列的。又如，CN102691176A公开了一种利用绝缘接收模板静电纺制备图案化纳米纤维膜的方法，具体步骤包括：将高分子聚合物溶于溶剂中，搅拌至完全溶解，得到纺丝溶液；以上述纺丝溶液进行静电纺丝，以表面具有拓扑结构的绝缘物质作为静电纺丝接收装置，即得到图案化纳米纤维膜。该方法获得的纳米纤维膜中的纳米纤维也是二维无序排列的。又如，CN106894164A公开了一种采用模板电纺制备柔性拉胀材料的方法，所述方法包括：(a)制备具有图案或凹凸结构的收集模板；(b)采用高压电场将高聚物溶液或高聚物熔融液体通过静电力牵引纺丝并收集在(a)制备的收集模板上；(c)将(b)收集到的柔性拉胀材料从收集模板上剥离；(d)将柔性拉胀材料进行后处理，以提高柔性拉胀材料的力学性能或赋予其功能。再如，CN106048901A公开了一种三维曲折纳米纤维复合窗纱的静电纺丝方法，在静电纺丝过程中通过采用曲折模板接收技术、针头三维立体排布技术和梯度电场循环纺丝技术，获得具有粘连-蓬松层叠结构的三维曲折纳米纤维复合膜，即得本专利技术的三维曲折纳米纤维复合窗纱。上述方法所采用的收集模板仅仅具有两个平面，所得纳米纤维网中的纳米纤维均是三维有序排列的，且底点平面形成的纳米纤维簇与顶点平面形成的纳米纤维簇没有形成有效过渡结构，从而制约了纳米纤维网性能的提高。
技术实现思路
为了克服上述缺陷，本申请的专利技术人进行了深入研究。本专利技术的目的在于提供一种三维纳米结构的形成方法，其形成的纳米纤维网的花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列，并且各个纳米纤维簇之间可以形成有效过渡结构。本专利技术的技术方案如下所述。一种三维纳米结构的形成方法，其采用静电纺丝将纺丝液形成纳米纤维，并通过导电收集板接收该纳米纤维，从而形成具有花纹图案的三维纳米结构；所述花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列；所述导电收集板具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间；所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，其中i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，所述起伏高度hi为0.01～10mm。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述顶点平面在所述导电收集板上的投影落入所述次顶点平面在所述导电收集板上的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1～100倍。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述次顶点平面包括由上至下依次设置的第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第一次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1.5～20倍，所述第二次顶点平面的面积为所述第一顶点平面的面积的1.5～20倍。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h1的1.1～10倍。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述顶点平面在所述导电收集板上的投影与所述次顶点平面在所述导电收集板上的投影不重叠。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述次顶点平面包括第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h1的1.1～10倍。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述的导电收集板的长度为0.01～100m、宽度为0.01～10m、厚度为0.01～500mm、且电导率为1×105～1×1010S/m。根据本专利技术的形成方法，优选地，满足如下条件之一：(1)所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为不规则图形；(2)所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为规则图形；(3)所述顶点平面为规则图形，所述次顶点平面为规则图形；或(4)所述顶点平面为不规则图形，所述次顶点平面为不规则图形。根据本专利技术的形成方法，优选地，所述纺丝液包括聚乙烯吡咯烷酮浓度为2～20wt％的水溶液，所述静电纺丝装置为多针静电纺丝装置；且静电纺丝工艺参数如下：每个针头内径为0.1～1mm，进液速率为0.2～2.0mL/h，纺丝电压为10～50kV，纺丝距离为10～100cm，纺丝环境温度为10～90℃，且纺丝环境湿度为20％～80％。本专利技术对传统的凹凸结构收集板进行改进，增加了次顶点平面，从而使得相邻两个顶点平面上形成的纳米纤维簇之间可以形成有效过渡结构，进而使得提高纳米纤维网的综合性能成为可能。本专利技术的导电收集板的表面呈现三维起伏结构；通过控制起伏结构的程度来控制收集板上不同位置的电场强度。电场强度的不同会导致收集板形成不同程度的纳米纤维簇，例如，顶点平面获得密集纳米纤维簇，次顶点平面获得中间态(也可以称之为过渡态)纳米纤维簇，谷点平面获得稀疏纳米纤维簇。两个纳米纤维簇之间的纳米纤维呈三维无序排列。采用图案化的三维起伏结构可以获得有序排列的具有花纹图案的纳米纤维网。附图说明图1为本专利技术的一种静电纺丝装置的结构示意图。图2为本专利技术的另一种静电纺丝装置的结构示意图。图3为本专利技术的一种导电收集板的截面示意图。图4为图3所示的导电收集板的俯视图。图5为本专利技术采用图4所示的导电收集板形成纳米纤维簇的示意图。图6为本专利技术的多种示例性顶点平面或次顶点平面的形状。图7为本专利技术的多种示例性顶点平面和次顶点平面组合形成的形状。次顶点平面在外，顶点平面在内。图8为实施例1的方法得到的图案化的三维纳米纤维结构。附图标记说明如下：101-导电收集板；102-顶点平面；103-谷点平面；106-次顶点平面；1061-第一次顶点平面；1062-第二次顶点平面；106i-第i次顶点平面；104-高压电源；105-静电纺丝单元。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术的三维纳米结构表示由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维纳米结构的形成方法，其特征在于，采用静电纺丝将纺丝液形成纳米纤维，并通过导电收集板接收该纳米纤维，从而形成具有花纹图案的三维纳米结构；所述花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列；所述导电收集板具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间；所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，其中，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，所述起伏高度hi为0.01～10mm。

【技术特征摘要】
1.一种三维纳米结构的形成方法，其特征在于，采用静电纺丝将纺丝液形成纳米纤维，并通过导电收集板接收该纳米纤维，从而形成具有花纹图案的三维纳米结构；所述花纹图案中的至少一部分纳米纤维呈三维无序排列；所述导电收集板具有有序排列的多个三维起伏结构；其中，每个三维起伏结构均具有谷点平面、顶点平面和次顶点平面，所述次顶点平面的高度介于所述谷点平面的高度与所述顶点平面的高度之间；所述次顶点平面与所述顶点平面之间的距离为起伏高度hi，其中，i表示次顶点平面的个数，且为1～100的自然数，所述起伏高度hi为0.01～10mm。2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述顶点平面在所述导电收集板上的投影落入所述次顶点平面在所述导电收集板上的投影的外轮廓线形成的区域内，且所述次顶点平面的面积大于所述顶点平面的面积。3.根据权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1～100倍。4.根据权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述次顶点平面包括由上至下依次设置的第一次顶点平面和第二次顶点平面，所述第一次顶点平面的面积为所述顶点平面的面积的1.5～20倍，所述第二次顶点平面的面积为所述第一顶点平面的面积的1.5～20倍。5.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述第二次顶点平面的起伏高度h2为所述第一次顶点平面的起伏高度h...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖磊，王祺琦，杨秋，
申请(专利权)人：深圳市四清空气技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44