绕曲形微纤维和银纳米粒子链的可控制备

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柔性或可拉伸性光电子器件是未来电子器件的发展趋势,它能被拉伸、弯曲和扭曲至一定形变,柔性或可拉伸性导体是它的重要组成部分,“结构可拉伸”是制备可拉伸导体的一大策略。具有绕曲形(波浪形或三维螺旋形)结构的导电材料在受张力时能被拉伸至一定应变而属于可拉伸性导体。基于静电纺丝中射流力学弯曲可制备绕曲形纤维,该法简单而有效且成本低。然而静电纺丝中有关绕曲形纤维的形成条件和制备机理鲜有报道。本学位论文主要基于静电纺丝法可控制备了具有绕曲形结构(波浪形或三维螺旋形)聚合物纤维,所制备的绕曲形聚合物纤维有望用于制备可拉伸性导体。结合静电纺丝法和煅烧制备了银纳米粒子链网络,探索其制备条件和形成机理,所制备的银纳米粒子链网络具有局域等离子共振效应而有望应用于柔性传感器上。具体研究内容及结论如下:(1)以聚苯乙烯/二甲基甲酰胺溶液为例,研究了波浪形纤维在静电纺丝中的形成过程和制备原理,探索了波浪形纤维的振幅随静电纺丝参数的变化规律,并制备了不同类型的波浪形纤维阵列。研究发现,随着收集板速度的增加,聚合物纤维的形貌沿着线圈形、“W”形、波浪形和直线形的规律变化。对波浪形纤维振幅随收集板速度的变化进行分析,发现直线形纤维与波浪形纤维之间的转变属于Hopf分岔,即由垂直于收集板移动方向上的非线性扰动产生具有O(2)对称性的Hopf分岔,导致波浪形纤维的产生。波浪形纤维与“W”形纤维的转变可能来源于纤维横向和纵向运动模式的改变。波浪形纤维振幅的极大值出现在波浪形与“W”形纤维转变处,且该振幅极大值随着纺丝电压和针头-收集板间距的增加而增大;波浪形与“W”形纤维的临界转变速度随纺丝电压的增加而增加,但该临界速度受针头-收集板间距的影响不大。(2)基于以液体为接收端的静电纺丝法,制备了形貌规则可控的三维螺旋聚苯乙烯微纤维,研究了三维螺旋聚苯乙烯纤维的形成条件,探索了影响线径和外径的影响因素。此外,为了验证本章中制备的三维螺旋纤维在柔性电子器件方面的应用前景,模拟了空心银弹簧在受到拉力时的长度变化以及应力分布,探讨了其与弹性聚合物基体的力学匹配性。研究发现,直射流和较高的针头移动速度(>40 mm/s)是获得形貌规则三维螺旋的必要条件。随着纺丝针头-液面间距的增大,三维螺旋的外径和直径逐渐增大。低浓度的聚合物溶液有利于降低三维螺旋的线径和外径。此外,有限元力学模拟显示,与上述三维螺旋尺寸相当的空心银弹簧在受到拉伸外力时,能够获得53%的弹性形变率,且其形变行为与弹性聚合物基体如聚二甲基硅氧烷(PDMS)匹配。(3)以AgNO3/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶胶为研究体系,提出了一种不需要预先合成银纳米粒子且高效简便的银纳米粒子链网络制备方法。基于静电纺丝-煅烧法,探索了静电纺丝制备AgNO3/PVP纳米复合纤维的条件,研究了纳米复合纤维煅烧过程中的温度对银纳米粒子产物排列及银纳米粒子尺寸的影响规律。研究发现当AgNO3与PVP的体积比为2:5时,能制备无珠粒且表面光滑的纳米复合纤维。煅烧温度较低时(500 oC)银纳米粒子呈链状排列且平均直径小于150 nm,而当煅烧温度较高时(850 oC)银纳米粒子呈无序排列且粒子直径主要分布于500~700 nm。对纳米粒子链网络的紫外-可见光谱分析,所制备的银纳米粒子链网络在362 nm和506 nm处出现吸收峰,这有利于其在与表面等离子共振相关的领域中应用。
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