[发明专利]基于机械力拉伸的大深宽比纳米纤维结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造领域，涉及一种基于机械力拉伸的大深宽比纳米纤维结构及其制备方法。

背景技术

大深宽比的聚合物纳米纤维因在传感器、生物学、仿生学等领域具有巨大的应用前景，其制备方法一直是微纳制造领域的热门课题。目前有多种技术用于制备不同结构的纳米纤维，以满足不同的需求。

现有技术中，主要有电纺丝法、微纳加工方法、自组装法等等。电纺丝的原理是当对带电液体（聚合物、金属氧化物浆料等）施加的电场力超过液体表面张力时，带电液体以纤维束的形式从喷丝口激射而出，在收集板上形成纳米纤维。该方法可制造长径比超过100的取向一致的纳米纤维，广泛应用于制备纳米纤维织构化表面。但电纺丝方法仅适于在收集板面内制备超大长径比纳米纤维，难以实现直立对正的纳米柱结构。

微纳加工方法是指综合运用多种微纳加工手段，如电子束直写（EBL）+等离子体刻蚀工艺（如，RIE、ICP），纳米压印复型工艺等，制备出直立纳米柱结构。然而，其昂贵成本、耗时长及长时间写入时电子束系统的不稳定性，难以实现大面积制造。

用材料特征性能的“自组装”法是指在材料氧化过程或薄膜生长过程中，通过工艺条件优化，控制薄膜内应力，能够实现直立的纳米纤维结构制造。如该方法严重受制于材料与采用的工艺，且制备的纳米纤维结构在具有周期性，难以实现定向、定域化制造。

以上这些方法均很难实现倾斜角度可控的纳米纤维阵列的制备，特别是端部有质量块的纳米纤维阵列的制备。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于机械力拉伸的大深宽比纳米纤维结构及其制备方法，该方法能够制备端部有质量块的纳米纤维阵列。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于机械力拉伸的大深宽比纳米纤维结构的制备方法，包括以下步骤：

1）采用复型方法制备柔性孔阵列模具，柔性孔阵列模具通过模具背衬吸附在机械台上平面的下表面上；

2）将聚合物的溶液涂覆于基材上形成聚合物薄膜，聚合物薄膜通过基材吸附在机械台下平面的上表面上；

3）通过调整机械台上平面与机械台下平面的间距，将柔性孔阵列模具压在聚合物薄膜上，使柔性孔阵列模具与聚合物薄膜接触，并放置在真空环境中，使聚合物薄膜充分填充入柔性孔阵列模具中；

4）最后通过柔性孔阵列模具对聚合物薄膜进行机械拉伸，拉伸完成后固化脱模，制备出端部有质量块的大深宽比纳米纤维结构。

所述步骤1）中，柔性孔阵列模具的具体制备方法如下：

首先在硅片基材上通过光刻和等离子体刻蚀的方法制备出圆柱阵列的硅模具，之后通过复型的方法得到与硅模具结构互补的柔性孔阵列模具；柔性孔阵列模具为能够与聚合物薄膜保持良好的接触的PDMS或氟树脂柔性模具；柔性孔阵列模具上孔的特征尺寸为500nm～20μm，深度为500nm～10μm，孔阵列化密度为25²～500²孔/mm²。

所述步骤2）中的聚合物材料为热塑性材料或光固化材料；

当聚合物材料为热塑性材料时，将热塑性材料加热至粘流态温度以上，使得热塑性材料填充入柔性孔阵列模具中，并保持温度，通过控制柔性孔阵列模具移除的方向，对填充到柔性孔阵列模具的热塑性材料进行机械拉伸；随后冷却固化，进行脱模，形成端部有质量块的大深宽比纳米纤维结构；

当聚合物材料为光固化材料时，先将光固化材料填充入柔性孔阵列模具中；然后通过控制柔性孔阵列模具移除的方向，对光固化材料进行机械拉伸；最后对拉伸的纳米纤维结构进行光固化，形成端部有质量块的大深宽比纳米纤维结构。

所述步骤2）中，聚合物薄膜通过旋涂法或者提拉法涂覆于基材上，薄膜厚度为1μm～10μm。

所述步骤3）中，基材为刚性基材或柔性基材。

所述的刚性基材为玻璃或硅，柔性基材为塑料或金属箔。

所述步骤4）中，通过控制柔性孔阵列模具对聚合物薄膜机械拉伸的方向，制备出具有20°～90°的倾斜角度的纳米纤维结构。

所述步骤4）中，通过控制柔性孔阵列模具对聚合物薄膜机械拉伸的方向，使柔性孔阵列模具垂直向上脱模，制备出垂直的纳米纤维结构。

一种基于机械力拉伸的大深宽比纳米纤维结构，制备出的纳米纤维结构具有20°～90°的倾斜角度，且纳米纤维结构的直径为10nm～1000nm，高度为20μm～40μm。