微流控纺丝技术制备有序纤维及多维度微反应器的研究

来源 :南京工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nvhuang123
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量子点-聚合物荧光微纤维材料是一类重要的有序微结构材料,因其独有的功能结构特性及其微纳结构尺寸长期以来受到广泛关注,其兼具了无机量子点优异的荧光性能,纤维材料制备的定向化及材料的结构性能一体化之目的,被广泛应用于光电器件、传感、显示等领域。目前用来制备有序的纤维阵列已被学者广泛研究,常借助于外界的磁场诱导、电场诱导、接收器导向、机械力来完成了很多具有高度取向的纤维,但是该领域的挑战性问题任然是在如何高度有序排布纤维阵列,以及如何使之应用于功能性材料上,如量子点-聚合物杂化纤维上。尤其是以微流体纺丝为基柱制备多维度微反应器,以此来合成具有高效荧光性能的量子点杂化材料还尚未被人所研究。  近来在微小尺寸上的化学反应由于其催化活性高、节能减排、环境友好等优势引起了广泛关注,尤其在纳米传感器、分子反应器、超分子容器、打印聚合物等领域。尽管连续流体、微球、微纤维、结点、各式模板微反应器等方法已被很好的开发研究,但在简易制得便捷的受限空间实现微纳反应还是一个很重要的课题研究方向。  为实现上述目标,本文以制备量子点-聚合物杂化微纤维阵列为导向,首先借助新兴发展的微流控纺丝技术构筑图案化的纤维微阵列。其次,通过对材料制备过程的工艺-微结构-性能关系的研究,达到纤维材料结构与性能的调控。最后基于有序可控的微纤维为多维度线性微反应器,以原位反应为手段,以期在纳米晶-聚合物荧光杂化纤维材料的排布可控化与功能集成化的基础上,实现量子点-聚合物荧光杂化纤维材料在多彩显示等领域的应用。具体开展了以下工作:  1.创新采用了新兴发展起来的微流控纺丝技术制备了聚乙烯吡咯烷酮的纤维微阵列、可控角度的网格阵列和一系列微结构的纤维图案化。借助光学显微镜和环境扫描电镜考察了不同的参数设置对于纤维直径及间距的影响,结果表明随着聚合物溶液浓度的适当减少、注射泵的推进速率的减小或者纺丝接收电机速率的增加,纤维直径是随之减小的。当步进电机速率增大时,纤维间距随之变得紧密。通过工艺参数的优化选择,与传统的静电纺丝法相比,在常温常压下即可纺出的纤维阵列具有较高的对齐率高达98%±1°,并突破静电纺丝非绝缘材质的限制。此外我们选择最优比成功构筑了单色与多彩的平行微阵列纤维、可控角度的网格状微阵列,有望在荧光器件或多彩图案化领域有着潜在的应用价值。  2.探索在超小空间内的化学反应模式。采用微流体纺丝技术制备软聚合物微阵列作为微反应器基底,应用合成纳米晶。对于PVP乙醇溶液进行高度有序化微阵列和可控角度的网格纤维,一维与零维(1D-0D)、一维与一维(1D-1D)、一维与二维(1D-2D)微反应器通过微纤维和液滴、交叉的纤维、均质的膜分别构筑产生。每个成分中可以被掺杂有不同的试剂,通过交叉接触离子的扩散会原位反应生成新的物质。在此受限空间内利用硫化钠为硫源,醋酸锌为锌源或者氯化镉为镉源,PVP纤维作为微反应器基底,在短短几分钟内可原位生成荧光的ZnS或者CdS量子点并且无配体无多余溶剂。利用光学显微镜和环境扫描电镜来考察微反应器的排布构造,利用荧光显微镜和荧光共聚焦来证明生成的量子点的荧光性能,利用荧光分光光度计和透射电镜来表征量子点的组织结构和晶体结构。该类微反应器为快速制备具有优异性能荧光性能的量子点聚合物杂化材料提供了一条有效途径。  3.以实现碳量子点与高分子聚合物的功能集成为目的,构筑综合性能优异的碳量子点-聚合物杂化材料。通过不同手段实现多维尺度下杂化纤维材料的形貌调控,考察了间断结构功能性纤维的形貌研究及其在微反应器上的研究。探讨各参数对杂化材料微观结构及光学性能的影响。考察了不同液态相在纤维表面滑动时形成的间断结构形貌,通过光学显微镜和荧光共聚焦显微镜发现了多种结构功能性纤维:单核间断式、双核间断微式、单球项链状、双球项链状。通过荧光纤维镜观察了微反应器阵列堆制备CdS量子点聚合物杂化纤维材料,并且有着有序等间距的间隔排布。最后,开发杂化材料在平板显示和荧光防伪方面的潜在应用,为构筑功能性荧光碳量子点-聚合物杂化材料提供了一条可行之路。
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