聚合物微纳米结构电纺直写行为及其控制技术研究

摘要

基于近场静电纺丝的电纺直写技术是利用稳定直线射流进行图案化微纳米结构的直接沉积，为聚合物微纳米结构的低成本可控制造及其应用开拓了一个新的途径。本文主要围绕电纺直写喷射与沉积行为、微纳米结构定位沉积和图案化制备控制等方面开展研究工作。
　　 构建了精密直写平台，直写出了直径80～800nm的固态纳米纤维和线宽1～150μm的微米薄膜。分析了微纳米结构直径/线宽的变化规律；研究了纺丝射流喷射运动行为；讨论了收集板匹配运动速度的变化规律；考察了收集板导电率对纳米纤维沉积的作用行为，为电纺直写启停控制和微纳米结构尺寸的精确调控奠定了实验基础。
　　 实现了近场条件下单股射流喷射过程纺丝电流的实时检测。根据纺丝电流特征将纳米纤维电纺直写过程分为三个阶段：起始喷射阶段纺丝电流振荡变化，特征电流峰值400～1000nA；稳定喷射阶段纺丝电流缓慢下降，平均纺丝电流特征幅值200～400nA；结束喷射阶段纺丝电流快速衰减。电纺直写克服了射流分叉、实现了单射流喷射，平均纺丝电流与纳米纤维直径及其均匀性具有较好的对应关系。纺丝电流的检测分析为电纺直写喷射的在线监测提供了一种有效的方法。
　　 基于黏弹力学Maxwell理论，建立了电纺直写射流运动、沉积模型，仿真分析了收集板速度、收集板导电率、喷头高度对带电纺丝射流运动状态、沉积行为的影响规律，仿真结果与实验结果具有很好的一致性。模型仿真验证了近场静电纺丝(喷头高度≤3mm)可以克服纺丝射流的无序不稳定运动，利用直线稳定射流进行有序微纳米结构的制备；并且射流运动速度(最大运动速度1～1.5m/s)和射流拉伸比(平均拉伸比100～200)都明显小于非近场条件下(喷头高度>60mm)纺丝射流的运动速度(最大运动速度3～4m/s)和拉伸比(平均拉伸比350～500)。纺丝射流运动、沉积行为的建模仿真为聚合物微纳米结构的可控制备提供了理论基础。
　　 开发了图形编译、收集板运动驱动软件，实现了电纺直写微纳米结构在收集板上的图案化沉积，最小定位误差为6.3μm。掌握了电纺直写微纳米结构在图案化硅基底上的沉积行为规律，并在此基础上提出硅基微结构诱导沉积方法，进一步提高了电纺直写微纳米结构沉积的定位精度(定位精度优于1μm)，为电纺直写在微硅系统中的集成应用提供了良好的技术基础。
　　 通过本文的研究，对电纺直写技术的喷射、沉积行为有了更深入的理解，掌握了聚合物微纳米结构定位沉积控制技术，实现了电纺直写图案的精确制备。本研究对于加速聚合物微纳米系统的开发应用具有很好的促进作用。