一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列及其制备方法

本发明涉及聚合物微纳米阵列的，具体涉及一种可用于摩擦发电、物体识别等功能的高灵敏度的聚合物微纳米阵列及其制备方法。

背景技术：

1、基于摩擦起电和静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机(triboelectricnanogenerator，teng)能将环境中的机械能转化为电能，并广泛应用于自供电感知领域，具备收集农业环境雨水能的潜力。传统的teng在液-固接触时存在的电荷屏蔽效应会导致电能转换效率低，并且摩擦层较差的疏水性会使得液体附着形成水膜，进而阻碍电荷转移过程，这两点均造成teng电输出低。基于此，有研究对液-固接触起电以及电荷转移过程进行了优化。其中王钻开教授团队研发了一种具有类似于场效应晶体管独特结构的teng，其输出功率密度实现了非常显著的提升(最大为50.1wm-2)。这一研究的成功主要在于两个创新设计，一是使用了聚四氟乙烯，该材料是很好的驻极体材料且兼具疏水性，随着水滴持续不断地撞击聚四氟乙烯薄膜，摩擦起电产生的表面电荷不断在聚四氟乙烯膜中积累直至饱和，这样一段时间的连续撞击后，聚四氟乙烯就能够储存非常高密度的表面电荷，很好地解决了过去teng中电荷密度低导致的低效率问题；二是借助了场效应晶体管的独特结构，该结构由栅极、源极、漏极三部分组成，通过控制栅极就能控制源极和漏极之间是否连通，从而进一步控制两极之间电荷的流动。然而，聚四氟乙烯相对较高的成本和不便于溶液或熔融加工的特性在一定程度上限制了该法的广泛推广应用。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、为解决上述问题，本发明提供了一种可用于摩擦发电、物体识别等功能的高灵敏度的、易加工且价廉的聚合物微纳米阵列，以期在柔性电容式压力传感器等领域有广泛的应用。

3、(二)本发明的技术方案如下：

4、本发明提供了一种可用于摩擦发电、物体识别等功能的高灵敏度的聚合物微纳米阵列及其制备方法，具体包括以下步骤：

5、步骤(1)：将合成聚二甲基硅氧烷(pdms)的预聚体与引发剂按照质量比4：1–24：1混合，得到聚合物混合液，然后放入真空箱40-50min，真空度0.06-0.08mpa，将真空后的聚合物混合溶液涂在具有微纳米孔的多孔模板上，然后使用超声方式使混合液填充到多孔模板的微纳米孔内；

6、步骤(2)：将步骤(1)超声填充后的多孔模板放在30–150℃干燥箱中固化成型；

7、步骤(3)：将干燥后的多孔模板依次与强碱溶液，饱和氯化铜的盐酸溶液，中强酸溶液反应，得到长径比可调的pdms微纳米柱阵列结构。

8、优选的是，所述步骤(1)中的聚二甲基硅氧烷预聚体为具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷，具体为羟基末端聚(二甲基硅氧烷)、双(羟烷基)封端聚(二甲基硅氧烷)、乙烯基封端的聚(二甲基硅氧烷)、甲基乙烯基聚(二甲基硅氧烷)中的一种。

9、优选的是，所述步骤(1)中的引发剂为聚(甲基氢硅氧烷)、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、苯基氨丙基三甲氧基硅烷、三乙氧基甲基硅烷、正硅酸乙酯中的一种。

10、优选的是，所述步骤(1)中的多孔模板为硅纳米孔模板、金属纳米孔板、金属氧化物纳米孔板、无机物纳米孔板中的一种，模板上孔直径范围为100–500nm，孔径高度为100–50000nm，模板整体厚度为0.3mm。

11、优选的是，所述步骤(1)中超声方式的超声功率在120–240w，超声波频率为20–40khz，超声时间为40–120min。

12、优选的是，所述步骤(2)中的固化成型时间为1–48h，

13、优选的是，所述步骤(2)中的干燥温度为30℃，固化成型时间为48h。

14、优选的是，所述步骤(3)的具体步骤为：将多孔模板涂了混合溶液的一面朝上，没有涂混合溶液的另一面向下，放入强碱溶液中一段时间，然后用去离子水清洗干净，再放入饱和氯化铜的盐酸溶液中一段时间，然后用去离子水清洗干净，再放入中强酸一段时间，最后用去离子水清洗、干燥，得到pdms微纳米阵列。

15、优选的是，所述步骤(3)中强碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，其溶液浓度范围在2mol/l–8mol/l；所述的饱和氯化铜的盐酸溶液中盐酸添加量为0.5–2wt％；所述的中强酸为草酸溶液、磷酸溶液、硼酸溶液、柠檬酸溶液、亚磷酸溶液中的一种，其溶液浓度范围在2–10wt％。

16、优选的是，所述步骤(3)中多孔模板与强碱反应的时间为5–30min，与饱和氯化铜的盐酸溶液反应的时间为2–10min，与中强酸反应的时间为1–4h。

17、与现有技术相比，本发明的优势在于：

18、(1)将聚合物混合液采用超声方式涂在多孔模板上，可加速聚合物流入孔洞方法，使聚合物混合液填充到多孔模板的微纳米孔内；

19、(2)通过调节震荡的频率与时间，达到pdms混合液填充多孔模板孔的深度的调控，操作简单；

20、(3)使用采用腐蚀模板保护聚合物的方法，充分保护了聚合物阵列结构，制备的具有纳米柱阵列的聚合物可实现高灵敏的识别物体。

技术特征：

1.一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(1)中的聚二甲基硅氧烷预聚体为具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷，具体为羟基末端聚(二甲基硅氧烷)、双(羟烷基)封端聚(二甲基硅氧烷)、乙烯基封端的聚(二甲基硅氧烷)、甲基乙烯基聚(二甲基硅氧烷)中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(1)中的引发剂为聚(甲基氢硅氧烷)、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷、苯基氨丙基三甲氧基硅烷、三乙氧基甲基硅烷聚、正硅酸乙酯中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(1)中的多孔模板为硅纳米孔模板、金属纳米孔板、金属氧化物纳米孔板、无机物纳米孔板中的一种模板上孔直径范围为100–500nm，孔径高度为100–50000nm，模板整体厚度为0.3mm。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(1)中的超声方式中超声功率在120–240w，超声波频率为20–40khz，超声时间为40–120min。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(2)中的模板固化成型时间为1–48h。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤为：将多孔模板涂了混合溶液的一面朝上，没有涂混合溶液的另一面向下，放入强碱溶液中一段时间，然后用去离子水清洗干净，再放入饱和氯化铜的盐酸溶液中一段时间，然后用去离子水清洗干净，再放入中强酸一段时间，最后用去离子水清洗、干燥，得到pdms微纳米阵列。

8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(3)的强碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，其溶液浓度范围在2mol/l–8mol/l；所述的饱和氯化铜的盐酸溶液中盐酸添加量为0.5–2wt％；所述的中强酸为草酸溶液、磷酸溶液、硼酸溶液、柠檬酸溶液、亚磷酸溶液中的一种，其溶液浓度范围在2–10wt％。

9.根据权利要求8所述的一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列，其特征在于：所述步骤(3)中多孔模板与强碱反应的时间为5–30min，与饱和氯化铜的盐酸溶液反应的时间为2–10min，与中强酸反应的时间为1–4h。

技术总结本发明涉及到一种高灵敏度的聚合物微纳米阵列及其制备方法，包括：(1)将合成聚二甲基硅氧烷(PDMS)的预聚体与引发剂混合，得到聚合物溶液；(2)将上述聚合物混合液涂在多孔模板上，超声方式使混合液填充到模板的微纳米孔内；(3)然后将涂覆聚合物混合液液的模板放入干燥箱中固化成型；(4)最后将干燥后的多孔模板依次与强碱溶液，饱和氯化铜的盐酸溶液，中强酸溶液反应，得到具有长径比可调的PDMS微纳米柱阵列结构。本发明制备的PDMS微纳米柱成本低廉、操作简单、长径比可控，而且，将该PDMS微纳米柱阵列应用于摩擦发电、物体识别和生物传感等领域，具有较高的灵敏度，预期具有广泛的应用前景。技术研发人员：梁峻兰,朱宏德,刘长青,陈珍明,黄俊俊受保护的技术使用者：贺州学院技术研发日：技术公布日：2024/1/13