一种聚丙烯纳米纤维制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有机纳米纤维的制备方法，特别是一种聚丙烯纳米纤维制备方法。
【背景技术】
[0002]纳米纤维以其奇异的特性，对传统产业和科技的升级转型有很好的作用，并具有潜在的开发前景，其制备方法也获得大力发展。目前纳米纤维的主要制备方法有化学合成法、生物合成法、静电纺丝法和熔喷法以及制备碳纳米管所采用的电弧法、催化法、微孔模板法、等离子体法和激光法等。发明专利“Taylor锥多喷头静电纺丝机”(申请号200710172744)以及专利“朝上喷的多喷头静电纺丝机”(申请号200720076954)公开了一种利用喷头产生气泡，气泡在高压静电作用下破裂后在静电场作用下形成亚微米纳米级纤维的静电纺丝方法。发明专利“无喷头连续静电纺丝系统”(申请号200810028060)公开了一种旋转的无喷头连续静电纺丝装置。发明专利“ 一种腈纶一蛋白质一铜盐复合抗静电纤维的制备方法”(公开号101240462A)公开了一种熔喷法制备亚微米纳米纤维的制备方法。这些纳米纤维的制备方法制备出的纤维尺寸大多在100-500纳米随机分布，不能人为控制，而且尺寸很难继续缩小，获得的纤维质量难以保证。实用新型专利一种厚度可控的液相外延薄膜制备装置(专利号ZL201120551449.9)利用“小舟法”进行了纳米纤维制备的尝试，取得了一定效果。本发明专利采用激光刻蚀的纳米沟槽为衬底，进行了尺寸可控的聚丙烯纳米纤维液相外延制备。
【发明内容】
[0003]本说明书提供了一种尺寸可控的聚丙烯纳米纤维制备方法，其特征是吸附在衬底
(I)的沟槽(3)中的聚丙烯熔体(2)液相外延聚丙烯生长出纳米纤维。所述的衬底(I)的一面有纳米级宽度和深度的沟槽(3)。所述的聚丙烯熔体(2)的表面温度是180°C。所述的沟槽(3)是利用等离子体或激光刻蚀制备的。生长获得的纳米纤维尺寸受衬底沟槽宽度和深度的控制，通过调节沟槽的宽度和深度，能够获得所需要尺寸的纳米纤维。通过调节沟槽衬底和沟槽壁的材质控制外延生长出的纳米纤维的结晶度。
[0004]采用在衬底本身一面上刻槽的好处是沟槽和衬底本身同一体，结构牢固，不易损坏。其缺点是制备的纳米纤维与衬底结合紧密时，沟槽壁与纳米纤维的结合力给制备获得的纳米纤维取出带来麻烦，特别是用溶剂法取出纳米纤维时，给溶剂浸润纤维外表面带来困难，需要延长浸润时间，有时还需要在浸润时升温。
[0005]采用异质材料形成沟槽的好处是形成沟槽的材料可以选用与纳米纤维结合力不强的材料，例如可以选用N1-Cr / N1-Si电阻丝作为沟槽壁，溶取纤维时可以给沟槽壁通电升温，加速纳米纤维的溶取速度，提高工作效率，缺点是沟槽壁材料可能与衬底结合力不足，导致沟槽可能会从衬底上脱落。
[0006]因此，选用沟槽的材料要根据实际情况来考虑。
[0007]制备纳米纤维的液相外延方法即可以采用垂直浸溃液相外延法，也可以采用“小舟法”。
[0008]采用垂直浸溃液相外延法的好处是制备过程可以全程观察，获得纳米纤维生长的信息，纤维和沟槽外的附着液可以通过高速旋转法抛去绝大部分，剩下的附着物可以通过研磨等方法去掉。缺点是不适合于流水线生产。这种方法在研究新型纳米纤维性质和制造工艺时有利。
[0009]“小舟法”的好处是可以通过流水线，将批量衬底固定在传动装置上连续通过熔体表面，让熔体浸入沟槽中凝固外延形成纳米纤维，附着在表面的熔体可以通过盛装熔体的器壁安装的特殊装置去掉，剩下的微量熔体在表面凝固成膜后，可以通过后续研磨等工艺去掉。缺点是纳米纤维生长过程不能观察。这种方法适合于生长技术成熟的纳米纤维材料。
[0010]本发明方法的一个明显有益效果是制备获得的纳米纤维尺寸与沟槽尺寸相同，长度可以与批量衬底总长度相近，而且获得的纤维分离而不相互缠绕，对纤维后续加工提供很好的基础。随着集成电路制备工艺的发展，沟槽尺寸可以进一步缩小到数十纳米，制备尺寸更小的出纳米纤维。
[0011]本发明方法的另外一个明显有益效果是通过调节沟槽衬底的材质和沟槽壁的材质，可以控制所外延出的纳米纤维的结晶度，从而达到调控所获得的纳米纤维的柔韧性等性能的目的。
本发明方法采用的聚丙烯熔体表面温度为180°c，高于聚丙烯熔点170°C，这样做的好处是熔体表面能够具有较低的粘度和较好的流淌性，在极化电极作用下分子能角整齐排列，有利于随后的外延结晶的结晶度的提高:另一个好处是熔体与衬底接触时，衬底表面不会马上结晶凝固，衬底上极细小的沟槽具有很强的毛细吸力，将熔体吸附到沟槽中，当衬底离开恒温槽降温时，沟槽中的熔体会结晶凝固成纳米纤维。
【附图说明】
[0012]附图1是一种聚丙烯纳米纤维制备方法采用的衬底结构示意图，图中衬底(I)上有事先用激光刻蚀好的纳米沟槽，聚丙烯熔体在沟槽中液相外延生长获得纳米级纤维。
[0013]附图2是实施例一所用的聚丙烯纳米纤维液相外延制备装置示意图，图中包括位于聚丙烯熔体(3)上用来固定ABS衬底(I)所用的不锈钢籽晶杆(5)，用来装聚丙烯熔体
(3)的石英坩埚⑷；籽晶杆(5)在外力作用下可以旋转.
[0014]附图3是实施例二制备聚丙烯纳米纤维所采用的装置示意图，图中包括位于聚丙烯熔体(3)上的带有沟槽的ABS朔料衬底(I)，位于恒温池(5)壁上部的弹性刮片(10)和位于恒温池(5)外的高压直流极化电极(11)。化料池⑶可以通过连通管(6)向恒温池
(5)中连续供料，保证恒温池中熔体高度稳定不变，连通管￠)中部有一个机械阀门(7)可以控制供料情况。
【具体实施方式】
[0015]本发明的【具体实施方式】通过下面两个实施例来说明。
实施例一聚丙烯纳米纤维垂直浸溃液相外延的制备
[0016]用等离子体或激光束将附如附图1所示的下表面被精密抛光为光学I级的ABS长方形衬底的下表面用聚氯乙烯为掩模版刻蚀成0.13微米宽，0.1微米深的沟槽，用刚玉粉末为抛光剂将掩模板将除掉，用乙醇和电导水清洗衬底，将清洗后的衬底在200°C °C马弗炉中除去水份将衬底烘干，将衬底固定在不锈钢籽晶杆上。
[0017]将优级纯聚丙烯粉末在180°C熔化于石英坩埚中恒温半小时。恒温后熔体表面温度保持在180°C。带有沟槽的衬底在籽晶杆驱动下与熔体表面接触10秒后脱离熔体，高速旋转抛掉衬底下表面的吸附熔体，降温并将衬底下表面外延的一层薄膜抛光去除后获得在沟槽中外延生长获得的纳米级纤维。
实施例2级丙烯纳米纤维的“小舟法”液相外延制备
[0018]用等离子体或激光束将附如附图2所示的下表面被精密抛光为光学I级的ABS长方形衬底的下表面刻蚀成0.13微米宽，0.1微米深的沟槽。
[0019]将熔化的聚丙烯熔体在如附图3所示的恒温池中盛满，恒温池中熔体上部温度为170°C，这是聚丙烯的熔点。在恒温池的右边有一个弹性刮片固定在恒温池边上，开口整齐的刮片开口向上。将带有沟槽的ABS衬底从左至右紧贴恒温池上部从左至右缓慢匀速移动。恒温池中的部分熔体附着到衬底下表面级沟槽中。衬底下表面的大部分熔体被弹性刮片刮下来流回恒温池,少量熔体填满沟槽并在衬底下表面形成一层薄膜。
[0020]衬底离开熔体冷却至室温后，熔体在沟槽及衬底下表面外延，沟槽中的熔体外延成纳米纤维，在衬底下表面外延成薄膜，这层薄膜用抛光技术除去，能从沟槽中获得纳米纤维。由于到衬底、沟槽和外延获得的纤维的热胀冷缩效应，获得的纤维尺寸在100纳米左右。
[0021]附图3恒温池边上的电场强度为1000V / m的极化电场用来诱导熔体中聚丙烯定向排列，以提高沟槽中外延的聚丙烯结晶度，获得高质量的纳米纤维。
[0022]让多块相互之无缝连接的ABS衬底，并且ABS衬底能够多块拼接足够长。将恒温池壁特殊处理，在其长壁上方开槽，在传动装置的带动下从恒温池边壁上部的沟槽中通过，恒温池外接一个熔料池，保证恒温池中聚丙烯熔体高度保持不变，能实现聚丙烯纳米纤维的连续生长。
【主权项】
1.一种聚丙烯纳米纤维制备方法，其特征是吸附在衬底(I)的沟槽(3)中的聚丙烯熔体(2)液相外延聚丙烯生长出纳米纤维。
2.如权利要求1所述的一种聚丙烯纳米纤维制备方法，其特征是所述的衬底(I)的一面有纳米级宽度和深度的沟槽(3)。
3.如权利要求1所述的一种聚丙烯纳米纤维制备方法，其特征是所述的聚丙烯熔体(2)的表面温度是180°C。
【专利摘要】本发明提供了一种尺寸可控的聚丙烯纳米纤维制备方法，其特征是吸附在衬底的沟槽中的聚丙烯熔体液相外延聚丙烯生长出纳米纤维。所述的衬底的一面有纳米级宽度和深度的沟槽。所述的聚丙烯熔体的表面温度是180℃。所述的沟槽是利用等离子体或激光刻蚀制备的。生长获得的纳米纤维尺寸受衬底沟槽宽度和深度的控制，通过调节沟槽的宽度和深度，能够获得所需要尺寸的纳米纤维。在制备过程中可以利用外加电磁场对熔体中的离子或有机单进行诱导，提高熔体中的物料输运效果，以提高外延纳米纤维的结晶度。通过调节沟槽衬底和沟槽壁的材质控制外延生长出的纳米纤维的结晶度。
【IPC分类】D01F6-06, D01D5-08
【公开号】CN104746163
【申请号】CN201310755843
【发明人】万尤宝, 吴宇容
【申请人】嘉兴学院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月27日