[发明专利]三维纳米结构的形成方法

说明书

本发明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h_i，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h_i为0.01～10mm。本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，即得本发明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。

发明内容

为了克服上述缺陷，本申请的发明人进行了深入研究。本发明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。本发明的技术方案如下所述。