CN106185794A - 一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板及其制备方法,该模板具有良好的溶解性,适用于制备脱模的金属微纳米线阵列材料;该制备方法是在拉丝装置中对聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯组成的预制棒进行一级热拉伸,然后对制得的一级复合丝进行紧密堆积固定,再进行二级热拉伸,之后对制得的二级复合丝进行紧密堆积固定后再进行三级热拉伸,最后对复合丝进行切片和溶解处理。该制备方法所需的设备简单,原料易得,生产成本低,环境污染小,可重复性强,适于连续大批量生产,能够在较大范围内调节多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的孔径、孔间距、孔深及多孔阵列的面积,极大地提高了根据应用需求设计和组建多种微纳米有序阵列材料的能力。

Description

一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳米复合材料制备技术领域,具体涉及一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板及其制备方法。
背景技术
多孔模板是制备微纳米线阵列的一种重要材料。具有高度有序结构的微纳米线阵列材料在传感器、磁记录、光电组件、生物医药等超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。在现有的模板制备技术中,模板的微结构尺寸参数可控性差,可控范围小,难以准确定位成为限制其应用的一个重要因素。
发明专利ZL 2013 1 0420638.6公开了一种多孔阵列聚乙烯模板的制备方法,该制备方法通过调节加热炉腔的直径、挤出口模的孔径、挤出速度、组成预制棒的聚乙烯管的和聚苯乙烯芯棒的尺寸以及切片的厚度中的一项或多项,实现了对多孔阵列聚乙烯模板的尺寸参数的较大范围的调节。该制备方法极大地提高了根据应用需求设计和组建多种尺寸的微纳米有序阵列材料的能力。但是该多孔阵列聚乙烯模板还存在不足之处,由于聚乙烯是结晶性的非极性聚合物,其溶剂的选择十分困难,且溶解过程需要在高温下进行。当采用多孔阵列聚乙烯模板进行金属微纳米线阵列的制备并需要去除模板时,要将多孔阵列聚乙烯模板完全溶解去除是十分困难的,在去除多孔阵列聚乙烯模板的过程中,容易对金属微纳米线阵列的结构产生破坏作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板,本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法。
本发明的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板,其特点是:所述的聚甲基丙烯酸甲酯模板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯,所述的聚甲基丙烯酸甲酯模板内包含规则排列的微米量级或纳米量级通孔。
本发明的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法依次包括如下步骤:
(a) 将聚苯乙烯芯棒装入聚甲基丙烯酸甲酯管中组成预制棒并烘干;
(b) 将预制棒进行一级热拉伸,形成一级复合丝;
(c) 对一级复合丝进行裁剪并紧密堆积固定在聚甲基丙烯酸甲酯管内并烘干;
(d) 对步骤(c)所得材料进行二级热拉伸,形成二级复合丝;
(e) 对二级复合丝进行裁剪并紧密堆积固定在聚甲基丙烯酸甲酯管内并烘干;
(f) 对步骤(e)所得材料进行三级热拉伸,形成三级复合丝;
(g) 分别对二级复合丝和三级复合丝进行常温切片;
(h) 将步骤(g)所得的切片放入环己烷溶液中溶解去掉聚苯乙烯芯层,形成多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板。
所述的步骤(b)、(d)、(f)中的一级热拉伸、二级热拉伸和三级热拉伸均是在拉丝装置上进行的,拉丝装置中的加热炉的温度控制在220℃~240℃,挤出口模的孔径为0.5毫米~10毫米,挤出速度为0.1毫米/分钟~5毫米/分钟。
所述的步骤(g)对二级复合丝和三级复合丝进行常温切片,或采用包埋剂将二级复合丝和三级复合丝包埋后进行常温切片。
所述的烘干条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。
所述的包埋剂为丙烯酸酯树脂。
本发明的聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法中组成预制棒的聚甲基丙烯酸甲酯管的内径与聚苯乙烯芯棒的直径相匹配。预制棒经过一级热拉伸制得一级复合丝,一级复合丝具有均匀的同心结构,聚甲基丙烯酸甲酯为外套层,聚苯乙烯为芯层,一级复合丝的外径为几百微米,一级复合丝中的聚苯乙烯芯层的直径为几十微米到几百微米。经过二级热拉伸后制得二级复合丝,二级复合丝是包埋具有高度取向的聚苯乙烯有序阵列结构的聚甲基丙烯酸甲酯复合丝,二级复合丝的外径为几百微米到几毫米,二级复合丝中的聚苯乙烯芯层的直径为几百纳米到几十微米,聚苯乙烯芯层的间距为几微米到几十微米。经过三级热拉伸后制得三级复合丝,三级复合丝是包埋具有高度取向的聚苯乙烯有序阵列结构的聚甲基丙烯酸甲酯复合丝,三级复合丝的外径为几百微米到十毫米,三级复合丝中的聚苯乙烯芯层的直径为几十纳米到几十微米,聚苯乙烯芯层的间距为几十纳米到几十微米。
当二级复合丝和三级复合丝的外径大于1mm时,利用超薄切片机在常温下将复合丝的一个端面切平整,以该平整面为基准,切下一定厚度的片材,片材的厚度可根据应用需要自动控制。当二级复合丝和三级复合丝的直径小于1mm时,在进行切片前,需要先采用丙烯酸酯树脂对二级复合丝和三级复合丝进行包埋成块,然后再继续利用超薄切片机进行切片。
模板的芯层和外套层材料的选择和匹配是影响最终模板成形均匀性、连续性以及完整性的重要因素。在热拉伸过程中,两种不同的原料经同一流道共挤出时,受到多种因素的影响,为了获得理想的界面和保持皮芯层流动的稳定性,两种材料的粘度匹配是至关重要的。在相同的实验条件下,所选择的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的剪切粘度接近,制得的复合丝结构较均匀,界面相容性较好。而且,聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的溶剂和溶解条件不同,使用环己烷溶液在60℃的水浴中对聚苯乙烯芯层进行溶解,该溶解过程不会对聚甲基丙烯酸甲酯模板的结构产生影响。
本发明的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法中通过调节加热炉腔的直径、挤出口模的孔径、挤出速度、组成预制棒的聚甲基丙烯酸甲酯管的和聚苯乙烯芯棒的尺寸以及切片的厚度中的一项或多项,实现对多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的尺寸参数的较大范围的调节。
本发明的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板具有良好的溶解性,适用于制备脱模的金属微纳米线阵列材料。
本发明的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法所需的设备简单,原料易得,生产成本低,环境污染小;可重复性强,适于连续大批量生产;该制备方法能够在较大范围内调节多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的孔径、孔间距、孔深及多孔阵列的面积,极大地提高了根据应用需求设计和组建多种微纳米有序阵列材料的能力。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明。
实施例1
预制棒由直径约0.9毫米的聚苯乙烯芯棒和内径约0.9毫米,外径约9毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管装配组成。拉丝装置的加热炉温度为230℃,各级挤出速度为3毫米/分钟,各级挤出口模孔径为0.5毫米。预制棒、一级复合丝和二级复合丝在进行下一级热拉伸之前进行烘干,烘干条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。经一级热拉伸制得外径约0.6毫米的一级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约60微米。裁剪200根左右的一级复合丝紧密堆积固定在内径约7.6毫米,外径约9毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经二级热拉伸制得外径约0.6毫米的包埋微米有序阵列结构的二级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约5微米,芯层间距约35微米。裁剪180根左右的二级复合丝紧密堆积固定在内径约7毫米,外径约9毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经三级热拉伸制得外径约0.6毫米的包埋纳米有序阵列结构的三级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约300纳米,芯层间距约2微米。采用丙烯酸酯树脂对二级复合丝和三级复合丝进行包埋成块,利用超薄切片机在常温下将所制得的复合丝包埋块的一个端面切平整,然后以该平整面为基准,切下厚度约20微米的片材。最后将片材置于环己烷溶液中,在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯层。其中二级复合丝的切片制得孔径约5微米,孔间距约35微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板;三级复合丝的切片制得孔径约300纳米,孔间距约2微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
实施例2
预制棒由直径约9.5毫米的聚苯乙烯芯棒和内径约9.5毫米,外径约19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管装配组成。拉丝装置的加热炉温度为220℃。各级挤出速度为0.3毫米/分钟~1毫米/分钟。一级挤出口模孔径为0.5毫米,二级挤出口模孔径为1毫米,三级挤出口模孔径为10毫米。预制棒、一级复合丝和二级复合丝在进行下一级热拉伸之前进行烘干,烘干条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。经一级热拉伸制得外径约0.5毫米的一级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约250微米。裁剪1000根左右的一级复合丝紧密堆积固定在内径约17毫米,外径约19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经二级热拉伸制得外径约1毫米的包埋微米有序阵列结构的二级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约12.5微米,芯层间距约12.5微米。裁剪300根左右的二级复合丝紧密堆积固定在内径约17毫米,外径约19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经三级热拉伸制得外径约8毫米的包埋微米有序阵列结构的三级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约5微米,芯层间距约5微米。利用超薄切片机在常温下将复合丝的一个端面切平整,然后以该平整面为基准,切下厚度约25微米的片材。最后将片材置于环己烷溶液中,在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯层。其中二级复合丝的切片制得孔径约12.5微米,孔间距约12.5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板;三级复合丝的切片制得孔径约5微米,孔间距约5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
实施例3
预制棒由直径约10毫米的聚苯乙烯芯棒和内径约10毫米,外径约29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管装配组成。拉丝装置的加热炉温度为240℃。各级挤出速度为0.1毫米/分钟~0.2毫米/分钟。各级挤出口模孔径为0.5毫米。预制棒、一级复合丝和二级复合丝在进行下一级热拉伸之前进行烘干,烘干条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。经一级热拉伸制得外径约0.5毫米的一级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约170微米。裁剪3000根左右的一级复合丝紧密堆积固定在内径约27毫米,外径约29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经二级热拉伸制得外径约0.5毫米的包埋微米有序阵列结构的二级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约3微米,芯层间距约5.5微米。裁剪3000根左右的二级复合丝紧密堆积固定在内径约27毫米,外径约29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经三级热拉伸制得外径约0.5毫米的包埋微米有序阵列结构的三级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约50纳米,芯层间距约90纳米。采用丙烯酸酯树脂对二级复合丝和三级复合丝进行包埋成块,利用超薄切片机在常温下将复合丝的一个端面切平整,然后以该平整面为基准,切下厚度约30微米的片材。最后将片材置于环己烷溶液中,在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯层。其中二级复合丝的切片制得孔径约3微米,孔间距约5.5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板;三级复合丝的切片制得孔径约50纳米,孔间距约90纳米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
实施例4
预制棒由直径约11毫米的聚苯乙烯芯棒和内径约11毫米,外径约19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管装配组成。拉丝装置的加热炉温度为230℃。各级挤出速度为0.5毫米/分钟~5毫米/分钟。一级挤出口模孔径为1毫米,二级挤出口模孔径为2毫米,三级挤出口模孔径为10毫米。预制棒、一级复合丝和二级复合丝在进行下一级热拉伸之前进行烘干,烘干条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。经一级热拉伸制得外径约1毫米的一级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约550微米。裁剪300根左右的一级复合丝紧密堆积固定在内径约17毫米,外径约19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经二级热拉伸制得外径约2毫米的包埋微米有序阵列结构的二级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约55微米,芯层间距约45微米。裁剪70根左右的二级复合丝紧密堆积固定在内径约17毫米,外径约19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经三级热拉伸制得外径约10毫米的包埋微米有序阵列结构的三级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约30微米,芯层间距约20微米。利用超薄切片机在常温下将复合丝的一个端面切平整,然后以该平整面为基准,切下厚度约35微米的片材。最后将片材置于环己烷溶液中,在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯层。其中二级复合丝的切片制得孔径约55微米,孔间距约45微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板;三级复合丝的切片制得孔径约30微米,孔间距约20微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
实施例5
预制棒由直径约2毫米的聚苯乙烯芯棒和内径约2毫米,外径约29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管装配组成。拉丝装置的加热炉温度为240℃。各级挤出速度为0.1毫米/分钟~1毫米/分钟。一级挤出口模孔径为0.5毫米,二级挤出口模孔径为0.5毫米,三级挤出口模孔径为2毫米。预制棒、一级复合丝和二级复合丝在进行下一级热拉伸之前进行烘干,烘干条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。经一级热拉伸制得外径约0.5毫米的一级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约35微米。裁剪3000根左右的一级复合丝紧密堆积固定在内径约27毫米,外径约29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经二级热拉伸制得外径约0.5毫米的包埋微米有序阵列结构的二级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约600纳米,芯层间距约7.5微米。裁剪3000根左右的二级复合丝紧密堆积固定在内径约27毫米,外径约29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中,经三级热拉伸制得外径约2毫米的包埋微米有序阵列结构的三级复合丝,其中聚苯乙烯芯层直径约40纳米,芯层间距约500纳米。采用丙烯酸酯树脂对二级复合丝和三级复合丝进行包埋成块,利用超薄切片机在常温下将复合丝的一个端面切平整,然后以该平整面为基准,切下厚度约40微米的片材。最后将片材置于环己烷溶液中,在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯层。其中二级复合丝的切片制得孔径约600纳米,孔间距约7.5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板;三级复合丝的切片制得孔径约40纳米,孔间距约500纳米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。.
实施例中的聚苯乙烯芯棒和聚甲基丙烯酸甲酯管均为市售产品加工而成。
本发明不局限于上述具体实施方式,所属技术领域的技术人员从上述构思出发,不经过创造性的劳动,所作出的种种变换,均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板,其特征在于:所述的聚甲基丙烯酸甲酯模板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯,所述的聚甲基丙烯酸甲酯模板内包含规则排列的微米量级或纳米量级通孔。
2.一种多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法,其特征在于:所述的制备方法依次包括如下步骤:
(a) 将聚苯乙烯芯棒装入聚甲基丙烯酸甲酯管中组成预制棒并烘干;
(b) 将预制棒进行一级热拉伸,形成一级复合丝;
(c) 对一级复合丝进行裁剪并紧密堆积固定在聚甲基丙烯酸甲酯管内并烘干;
(d) 对步骤(c)所得材料进行二级热拉伸,形成二级复合丝;
(e) 对二级复合丝进行裁剪并紧密堆积固定在聚甲基丙烯酸甲酯管内并烘干;
(f) 对步骤(e)所得材料进行三级热拉伸,形成三级复合丝;
(g) 分别对二级复合丝和三级复合丝进行常温切片;
(h) 将步骤(g)所得的切片放入环己烷溶液中溶解去掉聚苯乙烯芯层,形成多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板。
3.根据权利要求2所述的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法,其特征在于:所述的步骤(b)、(d)、(f)中的一级热拉伸、二级热拉伸和三级热拉伸均是在拉丝装置上进行的,拉丝装置中的加热炉的温度控制在220℃~240℃,挤出口模的孔径为0.5毫米~10毫米,挤出速度为0.1毫米/分钟~5毫米/分钟。
4.根据权利要求2所述的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法,其特征在于:所述的步骤(g)对二级复合丝和三级复合丝进行常温切片,或采用包埋剂将二级复合丝和三级复合丝包埋后进行常温切片。
5.根据权利要求2所述的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法,其特征在于:所述的烘干的条件为抽真空,温度为90℃~100℃,时间为6小时~8小时。
6.根据权利要求4所述的多孔阵列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制备方法,其特征在于:所述的包埋剂为丙烯酸酯树脂。
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