基本信息
- 项目名称：
- 静电纺丝法制备有序排列/交叉结构的导电高分子微纳米纤维器件
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品首先采用自制的离心静电纺丝技术制备并组装了有序排列以及交叉结构导电聚合物纳米纤维，并对单根纤维器件的伏安特性，场效应和光电效应做了测试，证实制备“塑料电子器件”的可行性。
- 详细介绍：
- 为了探索导电高分子纳米纤维组装电子器件的可行性，本作品提出了一种“离心静电纺丝”以及导电高分子单体“原位聚合”相结合的方法，成功制备了有序排列的聚苯胺/聚苯乙烯、聚吡咯/聚苯乙烯微纳米复合半导体纤维，并对单根纤维器件的电学性能进行了表征。创新点一在于利用“离心力”，降低纺丝“临界电压/临界电场力”，减小电场致纤维鞭动不稳定性，并靠转动“刷写”出平行有序纤维(有序度超过95%，远大于文献报道平均70%水平)。创新点二在于导电高分子单体和结构载体高分子混合均匀，经过电纺成型后，在电纺纤维高孔隙和比表面积支持下，化学或电化学催化氧化聚合得到导电高分子纤维，和传统“原位聚合”只在载体纤维表面吸附单体聚合相比，得到纤维形貌高度可控，导电性好，易于加工处理。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 为了探索导电高分子纳米纤维组装电子器件的可行性，本作品提出了一种“离心静电纺丝”以及导电高分子单体“原位聚合”相结合的方法，成功制备了有序排列的聚苯胺/聚苯乙烯、聚吡咯/聚苯乙烯微纳米复合半导体纤维，并对单根纤维器件的电学性能进行了表征。创新点一在于利用“离心力”，降低纺丝“临界电压/临界电场力”，减小电场致纤维鞭动不稳定性，并靠转动“刷写”出平行有序纤维(有序度超过95%，远大于文献报道平均70%水平)。创新点二在于导电高分子单体和结构载体高分子混合均匀，经过电纺成型后，在电纺纤维高孔隙和比表面积支持下，化学或电化学催化氧化聚合得到导电高分子纤维，和传统“原位聚合”只在载体纤维表面吸附单体聚合相比，得到纤维形貌高度可控，导电性好，易于加工处理。
科学性、先进性
- 纳米纤维电子器件是目前纳电子学研究的热点之一。作品首先采用自制的离心静电纺丝技术制备并组装了有序排列以及交叉结构导电聚合物纳米纤维，并对单根纤维器件的伏安特性，场效应和光电效应做了测试，证实制备“塑料电子器件”的可行性。本作品提出的利用离心静电纺丝技术低成本、高效率组装纳米纤维器件的方法在国内外尚未见报道。
获奖情况及鉴定结果
- 尚未参加其他活动，已提出一项专利申请，目前正撰写另一份专利申请，和相应英文报道论文
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 自用或合作开发
作品可展示的形式
- 图纸，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品利用自制的离心静电纺丝装置成功制备了有序排列和交叉结构的导电聚合物微纳米纤维，为低成本、大规模组装复杂的纳米纤维器件提供了一种新思路和新技术。除了有机/高分子纳米纤维，本作品提出的离心静电纺丝组装技术也可以用于无机半导体、以及有机-无机异质结纳米纤维器件的组装，具有普适性和推广前景。
同类课题研究水平概述
- 纳米纤维电子器件是目前纳电子学研究的热点之一。目前制备微纳米纤维的主要方法有模板法，化学气相沉淀法和静电纺丝法等。静电纺丝法早在上世纪三十年代就由一位美国人提出并申请专利，是目前可以连续大量制备微纳米纤维的有效方法，制成的纤维直径在在几十到几千个纳米之间。很多材料比如金属，高分子，陶瓷，生物大分子等等都被通过溶解或者高温熔融的方法静电纺成微纳米纤维。通过改进纺丝喷头构造或收集方式，可以得到疏松多孔结构微纳米纤维（用做细胞培养组织工程支架），同轴结构微纳米纤维（用于药物缓控释）和有序排列的微纳米纤维（多用于制备半导体微纳米纤维器件/传感器）。我们实验室通过溶解-纺丝-煅烧的方法流程合成了氧化物半导体陶瓷纤维，通过溶解-纺丝-原位聚合-导电掺杂/去掺杂的方法合成了比较难加工的导电高分子微纳米纤维。 导电高分子是在上世纪70年代由白川英树，A.G.McDiarmid和A.Heeger发现，三人因此在2000年诺贝尔奖。导电聚合物的最大特点是通过控制掺杂，其电导率可以在绝缘体－半导体－金属态（10-10-105S/cm）较宽的范围内变化，这是目前任何材料无法比拟的。导电聚合物具有特殊的结构和物理化学性能，可应用于电致发光、太阳能电池、场效应晶体管和非线性光学器件等方面；其掺杂后表现出较高的电导率，可以应用于防静电涂层、电磁屏蔽和微波吸收等方面；导电聚合物的掺杂-脱掺杂过程可逆，可以应用于制备二次电池、人工肌肉、电子鼻和防腐材料等方面。美国、日本、西欧等国家和地区正在大力发展应用导电高聚物材料, 并逐步转向工业化生产。在日本, 有关研究课题已被列入通产省“ 世纪产业基础技术研究开发” 中重点科研项目之一。 目前该领域的进展的存在的问题挑战是：1）电纺导电聚合物纳米纤维的电导率普遍不高，因为纤维中含有不导电的成分2）基于单根纤维的器件：PN整流二极管，场效应晶体管，气体传感器等均有报道3）文献里用的都是传统静电纺丝技术，制备的纤维都是无序的，不利于纳米纤维器件的组装4）如何将单根电纺纤维器件组装起来，构成更复杂的器件元件甚至电路，是目前所有纳米电子学面临的挑战，国外已有课题组报道这方面的进展5）我们的研究课题，利用离心静电纺丝技术制备有序和交叉结构纤维，就是朝这个方向努力，试图提供一种解决方案。
