微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法

1.本发明涉及微纳材料薄膜技术领域，具体涉及一种微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法。

背景技术：

2.微纳材料是指颗粒尺寸在微米级别和纳米级别的一类材料。由于微纳米尺度下的材料往往具有不同于宏观尺度下的独特的性能，因此利用微纳材料制备高性能功能材料已成为科学研究领域与工业生产中的热点方向之一。根据不同需求，各种微纳米加工技术应运而生并不断发展，如光刻工艺，电子束曝光工艺，聚焦离子束工艺，扫描探针加工技术，纳米压印技术。通过上述技术方案可以生产出各种图案化的功能材料，比如现有技术中cn104221168a-制造供高效率氮化物发光二极体用的纳米图案化基材的方法，就公开了通过纳米压印技术制造纳米至微米尺寸图案于一发光二极体基材的技术方案。
3.但是，在这些技术中除光刻技术外，制备大面积的微纳材料均匀图案时都存在效率低、成本高的问题；而对于光刻工艺，虽然可以制备较大面积的微纳材料均匀图案，但其昂贵的设备和复杂的曝光系统会投入更多的生产成本，且制备的图案化的微纳材料之面积，会受限于设备的加工尺寸。
4.因此，目前亟需一种能快速生成大面积的微纳材料图案化薄膜之工艺，且在满足大面积需求的同时要能够兼具成本低的特点。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出了以下技术方案：
6.第一方面，提供了一种微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，包括以下步骤：
7.制备微纳材料分散液，分散液中包括一种或多种微纳材料颗粒；
8.使用遮挡图案对支撑膜部分区域的通孔进行遮挡，再令带有遮挡图案的一面向下将支撑膜放置于微纳材料分散液表面，使遮挡图案浸入分散液中；
9.在支撑膜和微纳材料分散液处于静置状态下对微纳材料分散液进行加热，微纳材料颗粒在支撑膜的下表面自组装形成微纳材料图案化自组装结构；
10.对微纳材料图案化自组装结构进行干燥处理，得到微纳材料图案化自组装薄膜。
11.进一步的，微纳材料包括mxene、碳纳米管、聚苯乙烯微球、二硫化钼、氮化硼或氧化石墨烯。
12.进一步的，微纳材料分散液的浓度为0.1g/l～5g/l。
13.进一步的，支撑膜包括有机膜或无机膜。
14.进一步的，有机膜包括聚醚砜膜或聚丙烯膜，无机膜为三氧化二铝无机膜。
15.进一步的，通孔的孔径为20纳米到5微米。
16.进一步的，在支撑膜和微纳材料分散液处于静置状态下对微纳材料分散液进行加热时，采用水浴方式进行加热，加热温度为40～85℃，加热时间为30分钟到12小时。
17.进一步的，干燥处理包括自然风干或真空烘干。
18.进一步的，在制备微纳材料分散液时，添加高分子材料。
19.由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
20.1、利用水分子蒸发驱动微纳材料颗粒可在支撑膜下表面形成自组装结构的原理，通过使用裁剪好的图案遮挡住支撑膜部分区域的通孔，将被遮挡区域的气液界面转变为液固界面，使水分蒸发受阻，从而使分散液中的微纳材料颗粒仅在支撑膜下表面的未遮挡区域形成自组装结构，实现了图案化薄膜的制备。
21.2、在具体应用中，可以通过调整支撑膜的尺寸来制备面积较大的微纳材料图案化薄膜，无须使用其它的仪器设备，制备工艺成本低。
22.第二方面，提供了一种微纳材料图案化薄膜，通过使用第一方面提供的方法制备得到。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
24.图1为本发明一实施例的微纳材料图案化薄膜制备方法流程图；
25.图2为本发明一实施例的微纳材料图案化自组装原理示意图；
26.图3为本发明实施例制备的微纳材料图案化薄膜效果图；
27.附图标记：
28.1-支撑膜，2-支撑膜的通孔，3-微纳材料分散液，4-微纳材料颗粒，5-遮挡图案。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
30.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
31.实施例1
32.本实施例提供了一种微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，如图1所示，按以下步骤进行：
33.薄膜制备方法需要使用的材料包括：微纳材料、分散剂、支撑膜和遮挡图案。
34.在具体的实施方式中，微纳材料包括：mxene、碳纳米管(cnt)、聚苯乙烯微球(ps微球)、二硫化钼(mos2)、氮化硼(bn)或氧化石墨烯(go)。其中，mxene是一种二维无机化合物，由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。
35.当上述微纳材料为固体时，需要对其进行预处理，预处理方式为：在放置微纳材料的容器开口处，使用可通过水汽的滤纸或滤膜将其封好，将容器放于真空干燥箱中，然后采用不超过40℃的温度进行烘干、去除水分，减少在后续对微纳材料进行称量时，水分会带来的影响。
36.支撑膜，在具体的实施方式中为开设有多个通孔的膜，比如微孔滤膜。支撑膜的材质、大小、厚度不作限定；在具体的实施方式中，支撑膜依据不同的微纳材料分散液进行选取，可选用有机膜或无机膜；有机膜优选为聚醚砜膜或聚丙烯膜，无机膜优选为三氧化二铝(al2o3)无机膜。支撑膜可选用卷式(裹成一卷)或片式；支撑膜上通孔的孔径大于溶剂分子直径，且小于微纳材料颗粒直径，通孔的孔径优选为20纳米到5微米。因支撑膜在存放过程中可能会产生卷曲、折叠现象，所以对支撑膜的预处理，包括平整、洁净支撑膜。平整支撑膜的形式不作限定，在具体的实施方式中，对于有机膜可使用机械方式(比如用金属板压)处理平整，对于无机膜可使用刮擦、磨平的方式处理平整。
37.遮挡图案，其用途是粘贴在支撑膜的局部区域。在具体的实施方式中，图案的材质不作限定，在一个实施例中，图案可通过透明胶、不干胶带粘贴到支撑膜上，其中透明胶和不干胶带不含通孔。
38.1、制备微纳材料分散液，分散液中包括一种或多种微纳材料颗粒
39.在具体的实施方式中，微纳材料分散液的溶剂不作限定，以使微纳材料能均匀分散即可，比如水、乙醇，优选水作为溶剂。微纳材料分散液可采用现有技术的任意一种方式制备，优选使用超声分散的方法制备微纳材料分散液。在超声分散时，使用的设备为超声波清洗机，时间根据所需的微纳材料分散液之分散程度确定，直到分散均匀为止，在一个实施例中，超声分散的时间为30分钟。在具体的实施方式中，通过控制溶质质量来调整微纳材料分散液的浓度，其浓度优选为0.1g/l～5g/l。
40.超声分散过程中，需要对微纳材料分散液进行冷却，以防止超声引起的高温对微纳材料的结构造成破坏，在具体的实施方式中，使用冰水浴的方式冷却2～3分钟，冷却温度略低于室温即可。
41.制备的分散液中，可以只有一种微纳材料颗粒，也可以有多种微纳材料颗粒，分散均匀即可。
42.在一个实施例中，制备微纳材料分散液时，可添加一种或多种高分子材料，高分子材料优选为聚丙烯酸。通过添加高分子材料可以显著提高微纳材料薄膜的力学性能，更有利于制备大面积薄膜。
43.2、使用遮挡图案将支撑膜部分区域的通孔进行遮挡，再令带有遮挡图案的一面向下将支撑膜放置于微纳材料分散液液面，使遮挡图案浸入分散液中
44.在具体的实施方式中，以支撑膜为聚醚砜膜进行举例说明：将聚醚砜膜平铺打开，将遮挡图案通过透明胶粘贴到支撑膜的对应区域，对支撑膜的该部分区域的通孔进行遮挡。再将聚醚砜膜粘贴有遮挡图案的一面朝下，将聚醚砜膜轻放进开口容器中，聚醚砜膜会利用液体的表面张力自动漂浮于液面上，平铺于微纳材料分散液的气液界面处；此时遮挡图案浸没在分散液中，如图2所示。
45.开口容器的大小不作限定，根据需要制备得到的薄膜面积大小来选择。在支撑膜因重力而无法漂浮的情况下(如三氧化二铝无机膜、玻璃纤维膜等)，需添加额外的悬吊装置使支撑膜固定在气液界面处。
46.3、在支撑膜和微纳材料分散液处于静置状态下对微纳材料分散液进行加热，微纳材料颗粒在支撑膜的下表面自组装形成微纳材料图案化自组装结构
47.对开口容器中的微纳材料分散液按预设温度、预设时间进行加热，加热的方式不
作限定，在具体的实施方式中，优选采用水浴的方式进行加热。水浴温度预设为40～85℃，优选为80℃；预设时间为30分钟到12小时。具体的预设时间与预设温度相关，当预设温度为50℃时，预设时间为1.5～2小时；当预设温度为80℃时，预设时间为20～60分钟。
48.如图2所示，在预设温度的加热下，对于没有粘贴遮挡图案的区域，微纳材料分散液中的水分子会因水的蒸发向气液界面处运动，同时水分子的向上运动会带动微纳材料颗粒向支撑膜移动。因水分子的直径小于支撑膜的通孔孔径，会从通孔中通过蒸发溢出；而微纳材料颗粒的直径大于支撑膜的通孔孔径，会被支撑膜挡住，从而附着在支撑膜的下表面、形成自组装结构。
49.对于粘贴了遮挡图案的区域，水分子无法在该区域中向上蒸发，因此在支撑膜的下表面、粘贴了遮挡图案的区域，无法形成自组装结构。
50.通过不同的遮挡图案，可以获取不同图案化的自组装结构。
51.4、对微纳材料图案化自组装结构进行干燥处理，得到微纳材料图案化自组装薄膜
52.对微纳材料图案化自组装结构进行干燥处理的方式不作限定，可以选用自然风干或真空烘干的方式进行干燥处理。在具体的实施方式中，将附着有微纳材料图案化自组装结构的支撑膜从开口容器中取出，使支撑膜附有微纳材料图案化自组装结构的一侧朝上，经干燥处理后，得到微纳材料图案化自组装薄膜。
53.以下举例说明使用微纳材料制备图案化薄膜的参数和过程：
54.(1)单组分的微纳材料图案化薄膜
55.配置分散均匀的go水分散液，移液至干净的开口容器中待用。将裁剪好遮挡图案(比如太极)的透明胶贴于微孔滤膜上，将微孔滤膜置于开口容器中的气液界面处，使贴有透明胶带的一面浸入分散液中。将开口器放入80℃热水浴中加热30分钟，将微孔滤膜从液体表面取出，将带有go自组装结构的一面向上放置并干燥处理。
56.(2)多组分的微纳材料图案化薄膜
57.制备好微纳材料的混合分散液：go、mxene共混1：1(共混浓度1g/l)，得到分散均匀的混合分散液。将裁剪好的图案通过不干胶带粘贴在pp滤膜(孔径为0.22μm)上，将pp滤膜置于开口容器中的气液界面处，使贴有遮挡图案的一面浸入分散液中。80℃水浴加热40min，将带有go自组装结构的一面向上放置并干燥处理。
58.采用本实施例技术方案，经过干燥处理得到的薄膜如图3所示，图3是以氧化石墨烯为微纳材料，制备的多个图案化薄膜实例。
59.使用上述实施例提供的技术方案，利用水分子蒸发驱动微纳材料颗粒可在支撑膜下表面形成自组装结构的原理，通过使用裁剪好的图案浸入分散液中，遮挡住支撑膜部分区域的通孔，将被遮挡区域的气液界面转变为液固界面，使水分蒸发受阻，从而使分散液中的微纳材料颗粒仅在支撑膜下表面的未遮挡区域形成自组装结构，实现了图案化薄膜的制备。在具体应用中，可以通过调整支撑膜的尺寸来制备面积较大的微纳材料图案化薄膜，无须使用其它的仪器设备，制备工艺成本低。
60.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方
案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：

1.一种微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备微纳材料分散液，所述分散液中包括一种或多种微纳材料颗粒；使用遮挡图案对支撑膜部分区域的通孔进行遮挡，再令带有遮挡图案的一面向下，将支撑膜放置于微纳材料分散液的液面，使遮挡图案浸入分散液中；在支撑膜和微纳材料分散液处于静置状态下对微纳材料分散液进行加热，微纳材料颗粒在支撑膜的下表面形成微纳材料图案化自组装结构；对微纳材料图案化自组装结构进行干燥处理，得到微纳材料图案化自组装薄膜。2.根据权利要求1所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，所述微纳材料包括mxene、碳纳米管、聚苯乙烯微球、二硫化钼、氮化硼或氧化石墨烯。3.根据权利要求2所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，所述微纳材料分散液的浓度为0.1g/l～5g/l。4.根据权利要求1所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，所述支撑膜包括有机膜或无机膜。5.根据权利要求4所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，所述有机膜包括聚醚砜膜或聚丙烯膜，所述无机膜为三氧化二铝无机膜。6.根据权利要求1所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，所述通孔的孔径为20纳米到5微米。7.根据权利要求1所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，在支撑膜和微纳材料分散液处于静置状态下对微纳材料分散液进行加热时，采用水浴方式进行加热，加热温度为40～85℃，加热时间为30分钟到12小时。8.根据权利要求1所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，所述干燥处理包括自然风干或真空烘干。9.根据权利要求1所述的微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，其特征在于，在制备微纳材料分散液时，添加高分子材料。10.一种微纳材料图案化薄膜，其特征在于，通过使用权利要求1-9任一所述的方法制备得到。

技术总结

本发明提供一种微纳材料自组装薄膜的图案化制备方法，包括：制备微纳材料分散液；使用遮挡图案将支撑膜的部分区域进行遮挡，再令带有遮挡图案的一面向下将支撑膜放置于微纳材料分散液表面；在对微纳材料分散液进行加热，微纳材料颗粒在支撑膜的下表面自组装形成微纳材料图案化自组装结构；对微纳材料图案化自组装结构进行干燥处理。本发明使用裁剪好的图案浸入分散液中，遮挡住支撑膜的部分区域，将被遮挡区域的气液界面转变为液固界面，使水分蒸发受阻，从而使分散液中的微纳材料颗粒仅在支撑膜下表面的未遮挡区域形成自组装结构，由此实现图案化薄膜的制备；可以通过调整支撑膜的尺寸来制备面积较大的图案化薄膜，制备工艺简单且成本低。简单且成本低。简单且成本低。