一種力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及靜電紡絲納米纖維，具體涉及一種力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲是一種制備一維功能微納米纖維的方法，與傳統(tǒng)方法相比，靜電紡絲具有制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡材料種類多、獨特易操作性和廣泛適用性，制備的納米纖維膜材料具有比表面積大、孔徑尺寸小、吸附性好、過濾能力強等特點，因而在組織工程、過濾材料、生物醫(yī)用敷料、傳感器、光電子器件、催化劑載體、防護材料等領(lǐng)域均有很好的應用前景。在靜電紡絲過程中，接收板對納米纖維聚集形態(tài)起至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)靜電紡絲最常見的產(chǎn)物是二維無紡布纖維結(jié)構(gòu)，這在某種程度上限制了其更進一步的應用。為了解決這一問題，近來可以用各種方法來控制纖維的排列和組裝，例如為了制備有取向性的陣列結(jié)構(gòu)電紡纖維，可采用滾筒收集法、飛輪收集法、輔助電場法、框架收集法、平行電極收集法、水面接收屏法、正負高壓雙噴頭法、復合框架收集法、紡絲噴頭往復直線運動靜電紡絲、離心靜電紡絲等。靜電紡絲技術(shù)同樣是制備導電聚合物微納米纖維材料的重要方法，將電紡導電聚合物(例如聚苯胺PAN1、聚(3，4-乙撐二氧噻吩)PEDOT、聚吡咯PPY等)微納米材料應用于微電子器件，尤其是柔性可拉伸電子器件具有重要意義。但是，傳統(tǒng)方法制得的導電聚合物材料的力學性能較差，由靜電紡絲法制得的無紡布結(jié)構(gòu)電紡導電聚合物微納米纖維膜，其拉伸率小于2% (J.Mater.Chem.，21 (2011) 18962-18966)，這種拉伸性能較差的微納米纖維膜，不能很好的適應柔性可拉伸電子器件對材料的要求，限制了電紡導電聚合物材料在微電子器件領(lǐng)域的應用。
[0003]在靜電紡絲的過程中，收集模版的形貌特征可直接影響紡絲過程中的靜電場分布，進而影響收集模版上獲得的纖維膜的形貌。采用特殊形貌的收集模版可以制得具有特殊聚集規(guī)律的圖案化的納米纖維膜，中國專利一種圖案化納米纖維膜的制備方法(專利申請?zhí)?200910013772.8)就公開了一種使用圖案化的收集模版制備圖案化乙酸鋅/PVP復合微納米纖維膜的方法。由于研宄者們普遍認為圖案化的納米纖維膜在理化性質(zhì)方面與傳統(tǒng)的無紡布結(jié)構(gòu)的無序纖維膜基本相同，目前，對圖案化電紡微納米纖維膜的研宄多集中在通過研宄膜上纖維的特殊聚集規(guī)律研宄論證納米纖維在靜電場中的運動規(guī)律，或者，其特殊的形貌特征在生物支架和組裝工程等方面的應用這兩個方面?，F(xiàn)有對電紡圖案化纖維膜的研宄多局限在非導電材料方面，電紡圖案化導電聚合物(例如聚苯胺PAN1、聚(3，4-乙撐二氧噻吩)PEDOT、聚吡咯PPY等)納米纖維膜幾乎沒有報道，對于電紡圖案化納米纖維膜的性能和應用的研宄尚處于空白階段。
[0004]相比，圖案化的納米纖維膜具有二維方向上更大的拉伸率(可超過100% )，因此，基于電紡圖案化導電聚合物納米纖維膜的可拉伸電子器件有望應用于測試膝蓋屈伸、手指活動等動作、可拉伸顯示屏、皮膚傳感器等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜及其制備方法，該納米纖維膜可實現(xiàn)高電導率、力敏性能好、穩(wěn)定性好、可承受大范圍二維拉伸應變，且制備方法簡單，成本低廉，由該納米纖維膜制成的可拉伸電子器件在測試膝蓋屈伸、手指活動等動作、可拉伸顯示屏、皮膚傳感器等領(lǐng)域有很好的應用前景。
[0006]一種力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)配制紡絲前驅(qū)體溶液:高分子聚合物和導電聚合物充分混合溶于有機溶劑中配制成紡絲前驅(qū)體溶液；
[0008](2)將步驟(I)配好的紡絲前驅(qū)體溶液裝于帶金屬噴頭的紡絲溶液容器中，金屬噴頭的噴射口朝下并與直流高壓電源的正極相連，圖案化的收集模版置于金屬噴頭噴射口的正下方且與直流高壓電源的負極相連，調(diào)整紡絲距離，前驅(qū)體溶液在重力作用下在噴射口處形成半球形液滴，開啟直流高壓電源設(shè)置紡絲電壓，帶電射流在電場力作用下從噴頭噴出，在收集模版上形成無紡布形式的圖案化導電聚合物納米纖維膜，然后關(guān)閉直流高壓電源，從收集模版上取下圖案化導電聚合物納米纖維膜即可得力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜；所述收集模版為金屬模版、半導體模版或絕緣塑料模版，收集模版上設(shè)置有鏤空或突起的圖案結(jié)構(gòu)。
[0009]進一步的，步驟⑴所述的導電聚合物為聚苯胺、聚吡咯、聚(3，4-乙撐二氧噻吩)、聚噻吩、聚(3-己基噻吩)、聚乙炔、聚對苯乙烯、聚苯硫醚、聚苯基乙炔中的一種或多種，或者其與聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己內(nèi)酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種的復合物；所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己內(nèi)酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種；步驟(2)中所述的收集模版為金屬網(wǎng)格模版。
[0010]進一步的，步驟⑴配制紡絲前驅(qū)體溶液:將1.0克分子量130萬的聚乙烯吡咯烷酮粉末與3.0克質(zhì)量分數(shù)為2.8wt%的聚(3，4-乙撐二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸水溶液，以及2克無水乙醇混合，然后加入0.2克的二甲基亞砜，室溫下磁力攪拌5小時，使溶液混合均勻，再靜置90分鐘，獲得均一的靜電紡絲前驅(qū)體溶液；步驟(2)中紡絲距離為8厘米，紡絲電壓為8千伏，紡絲時間為10分鐘。
[0011]本發(fā)明還公開了由上述方法制得的力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜，所述力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜由圖案化的收集模版收集電紡導電復合納米纖維制得，該電紡納米纖維膜由導電聚合物復合納米纖維構(gòu)成，呈無紡布形式，所述電紡納米纖維膜具有與其制備過程中使用的收集模版的圖案相對應的規(guī)律性的聚集圖案。
[0012]進一步的，由上述方法制得的力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜的拉伸率大于20%，該電紡納米纖維膜在不同的拉伸程度時具有不同的電導率，在拉伸率為20%時仍然具有導電性，且撤去拉力，纖維膜可迅速回復原樣，纖維膜的電導率也隨之恢復。
[0013]除了利用靜電紡絲方法直接電紡圖案化導電納米纖維膜，還可以使用類似的方法制備圖案化的非導電的高分子聚合物納米纖維膜，再以該高分子聚合物納米纖維膜為模版在高分子聚合物纖維表面原位聚合一層導電聚合物包裹層，形成導電聚合物/高分子聚合物同軸復合納米纖維，進而制得圖案化導電納米纖維膜，這種方法包括以下步驟:
[0014](I)配制紡絲前驅(qū)體溶液:不導電的高分子聚合物溶于有機溶劑中配制成紡絲前驅(qū)體溶液；
[0015](2)將步驟(I)配好的紡絲前驅(qū)體溶液裝于帶金屬噴頭的紡絲溶液容器中，金屬噴頭的噴射口朝下并與直流高壓電源的正極相連，圖案化的收集模版置于金屬噴頭噴射口的正下方且與直流高壓電源的負極相連，調(diào)整紡絲距離紡絲(金屬噴頭噴射口與收集模版間的豎直間距)，前驅(qū)體溶液在重力作用下在噴射口處形成半球形液滴，開啟直流高壓電源設(shè)置紡絲電壓，帶電射流在電場力作用下從噴頭噴出，在收集模版上形成無紡布形式的圖案化高分子聚合物納米纖維膜，然后關(guān)閉直流高壓電源，從收集模版上取下圖案化高分子聚合物納米纖維膜即可；所述收集模版為金屬模版、半導體模版或絕緣塑料模版，收集模版上設(shè)置有鏤空或突起的圖案結(jié)構(gòu)；
[0016](3)配置導電聚合物聚合反應溶液，將步驟(2)制得的圖案化高分子聚合物納米纖維膜鋪平固定在鏤空邊框上，再將其完全浸入配置導電聚合物聚合反應溶液中，直至高分子聚合物納米纖維膜的纖維表面原位聚合形成導電高分子材料包裹層，將纖維膜取出，洗去其表面雜質(zhì)即可得力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜。
[0017]進一步的，所述步驟(I)配制紡絲前驅(qū)體溶液:將2.2克分子量為27萬的聚偏氟乙烯加入3.9克N, N- 二甲基甲酰胺和3.9克丙酮的混合溶液中，加熱磁力攪拌3小時后得紡絲前驅(qū)體溶液；步驟(2)中紡絲距離為10厘米，紡絲電壓為14千伏，紡絲時間為15分鐘，所述的收集模版為金屬網(wǎng)格模版；步驟(3)中用苯胺0.93克、過硫酸銨4.56克、磺基水楊酸1.28克、蒸餾水70毫升混合充分攪拌，配置成導電聚合物聚合反應溶液，反應溫度保持O?4°C，配置好導電聚合物聚合反應溶液后迅速將固定在鏤空邊框上的圖案化高分子聚合物納米纖維膜浸入其中，浸泡6小時后取出納米纖維膜，用去離子水進行沖洗3次，室溫真空下晾干，即可得力敏可拉伸電紡圖案化導電納米纖維膜。
[0018]進