本發明屬于微納米復合材料制備技術領域，具體涉及一種多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板及其制備方法。
背景技術：
多孔模板是制備微納米線陣列的一種重要材料。具有高度有序結構的微納米線陣列材料在傳感器、磁記錄、光電組件、生物醫藥等超微型功能器件領域具有重要的應用潛能。在現有的模板制備技術中，模板的微結構尺寸參數可控性差，可控范圍小，難以準確定位成為限制其應用的一個重要因素。
發明專利ZL 2013 1 0420638.6公開了一種多孔陣列聚乙烯模板的制備方法，該制備方法通過調節加熱爐腔的直徑、擠出口模的孔徑、擠出速度、組成預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項或多項，實現了對多孔陣列聚乙烯模板的尺寸參數的較大范圍的調節。該制備方法極大地提高了根據應用需求設計和組建多種尺寸的微納米有序陣列材料的能力。但是該多孔陣列聚乙烯模板還存在不足之處，由于聚乙烯是結晶性的非極性聚合物，其溶劑的選擇十分困難，且溶解過程需要在高溫下進行。當采用多孔陣列聚乙烯模板進行金屬微納米線陣列的制備并需要去除模板時，要將多孔陣列聚乙烯模板完全溶解去除是十分困難的，在去除多孔陣列聚乙烯模板的過程中，容易對金屬微納米線陣列的結構產生破壞作用。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板，本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制備方法。
本發明的多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板，其特點是：所述的聚甲基丙烯酸甲酯模板的材料為聚甲基丙烯酸甲酯，所述的聚甲基丙烯酸甲酯模板內包含規則排列的微米量級或納米量級通孔。
本發明的多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制備方法依次包括如下步驟：
(a) 將聚苯乙烯芯棒裝入聚甲基丙烯酸甲酯管中組成預制棒并烘干；
(b) 將預制棒進行一級熱拉伸，形成一級復合絲；
(c) 對一級復合絲進行裁剪并緊密堆積固定在聚甲基丙烯酸甲酯管內并烘干；
(d) 對步驟(c)所得材料進行二級熱拉伸，形成二級復合絲；
(e) 對二級復合絲進行裁剪并緊密堆積固定在聚甲基丙烯酸甲酯管內并烘干；
(f) 對步驟(e)所得材料進行三級熱拉伸，形成三級復合絲；
(g) 分別對二級復合絲和三級復合絲進行常溫切片；
(h) 將步驟(g)所得的切片放入環己烷溶液中溶解去掉聚苯乙烯芯層，形成多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板。
所述的步驟(b)、(d)、(f)中的一級熱拉伸、二級熱拉伸和三級熱拉伸均是在拉絲裝置上進行的，拉絲裝置中的加熱爐的溫度控制在220℃~240℃，擠出口模的孔徑為0.5毫米~10毫米，擠出速度為0.1毫米/分鐘~5毫米/分鐘。
所述的步驟(g)對二級復合絲和三級復合絲進行常溫切片，或采用包埋劑將二級復合絲和三級復合絲包埋后進行常溫切片。
所述的烘干條件為抽真空，溫度為90℃~100℃，時間為6小時~8小時。
所述的包埋劑為丙烯酸酯樹脂。
本發明的聚甲基丙烯酸甲酯模板的制備方法中組成預制棒的聚甲基丙烯酸甲酯管的內徑與聚苯乙烯芯棒的直徑相匹配。預制棒經過一級熱拉伸制得一級復合絲，一級復合絲具有均勻的同心結構，聚甲基丙烯酸甲酯為外套層，聚苯乙烯為芯層，一級復合絲的外徑為幾百微米，一級復合絲中的聚苯乙烯芯層的直徑為幾十微米到幾百微米。經過二級熱拉伸后制得二級復合絲，二級復合絲是包埋具有高度取向的聚苯乙烯有序陣列結構的聚甲基丙烯酸甲酯復合絲，二級復合絲的外徑為幾百微米到幾毫米，二級復合絲中的聚苯乙烯芯層的直徑為幾百納米到幾十微米，聚苯乙烯芯層的間距為幾微米到幾十微米。經過三級熱拉伸后制得三級復合絲，三級復合絲是包埋具有高度取向的聚苯乙烯有序陣列結構的聚甲基丙烯酸甲酯復合絲，三級復合絲的外徑為幾百微米到十毫米，三級復合絲中的聚苯乙烯芯層的直徑為幾十納米到幾十微米，聚苯乙烯芯層的間距為幾十納米到幾十微米。
當二級復合絲和三級復合絲的外徑大于1mm時，利用超薄切片機在常溫下將復合絲的一個端面切平整，以該平整面為基準，切下一定厚度的片材，片材的厚度可根據應用需要自動控制。當二級復合絲和三級復合絲的直徑小于1mm時，在進行切片前，需要先采用丙烯酸酯樹脂對二級復合絲和三級復合絲進行包埋成塊，然后再繼續利用超薄切片機進行切片。
模板的芯層和外套層材料的選擇和匹配是影響最終模板成形均勻性、連續性以及完整性的重要因素。在熱拉伸過程中，兩種不同的原料經同一流道共擠出時，受到多種因素的影響，為了獲得理想的界面和保持皮芯層流動的穩定性，兩種材料的粘度匹配是至關重要的。在相同的實驗條件下，所選擇的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的剪切粘度接近，制得的復合絲結構較均勻，界面相容性較好。而且，聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯的溶劑和溶解條件不同，使用環己烷溶液在60℃的水浴中對聚苯乙烯芯層進行溶解，該溶解過程不會對聚甲基丙烯酸甲酯模板的結構產生影響。
本發明的多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制備方法中通過調節加熱爐腔的直徑、擠出口模的孔徑、擠出速度、組成預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項或多項，實現對多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板的尺寸參數的較大范圍的調節。
本發明的多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板具有良好的溶解性，適用于制備脫模的金屬微納米線陣列材料。
本發明的多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板的制備方法所需的設備簡單，原料易得，生產成本低，環境污染小；可重復性強，適于連續大批量生產；該制備方法能夠在較大范圍內調節多孔陣列聚甲基丙烯酸甲酯模板的孔徑、孔間距、孔深及多孔陣列的面積，極大地提高了根據應用需求設計和組建多種微納米有序陣列材料的能力。
具體實施方式
下面結合實施例詳細說明本發明。
實施例1
預制棒由直徑約0.9毫米的聚苯乙烯芯棒和內徑約0.9毫米，外徑約9毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管裝配組成。拉絲裝置的加熱爐溫度為230℃，各級擠出速度為3毫米/分鐘，各級擠出口模孔徑為0.5毫米。預制棒、一級復合絲和二級復合絲在進行下一級熱拉伸之前進行烘干，烘干條件為抽真空，溫度為90℃~100℃，時間為6小時~8小時。經一級熱拉伸制得外徑約0.6毫米的一級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約60微米。裁剪200根左右的一級復合絲緊密堆積固定在內徑約7.6毫米，外徑約9毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經二級熱拉伸制得外徑約0.6毫米的包埋微米有序陣列結構的二級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約5微米，芯層間距約35微米。裁剪180根左右的二級復合絲緊密堆積固定在內徑約7毫米，外徑約9毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經三級熱拉伸制得外徑約0.6毫米的包埋納米有序陣列結構的三級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約300納米，芯層間距約2微米。采用丙烯酸酯樹脂對二級復合絲和三級復合絲進行包埋成塊，利用超薄切片機在常溫下將所制得的復合絲包埋塊的一個端面切平整，然后以該平整面為基準，切下厚度約20微米的片材。最后將片材置于環己烷溶液中，在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯層。其中二級復合絲的切片制得孔徑約5微米，孔間距約35微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板；三級復合絲的切片制得孔徑約300納米，孔間距約2微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
實施例2
預制棒由直徑約9.5毫米的聚苯乙烯芯棒和內徑約9.5毫米，外徑約19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管裝配組成。拉絲裝置的加熱爐溫度為220℃。各級擠出速度為0.3毫米/分鐘~1毫米/分鐘。一級擠出口模孔徑為0.5毫米，二級擠出口模孔徑為1毫米，三級擠出口模孔徑為10毫米。預制棒、一級復合絲和二級復合絲在進行下一級熱拉伸之前進行烘干，烘干條件為抽真空，溫度為90℃~100℃，時間為6小時~8小時。經一級熱拉伸制得外徑約0.5毫米的一級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約250微米。裁剪1000根左右的一級復合絲緊密堆積固定在內徑約17毫米，外徑約19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經二級熱拉伸制得外徑約1毫米的包埋微米有序陣列結構的二級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約12.5微米，芯層間距約12.5微米。裁剪300根左右的二級復合絲緊密堆積固定在內徑約17毫米，外徑約19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經三級熱拉伸制得外徑約8毫米的包埋微米有序陣列結構的三級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約5微米，芯層間距約5微米。利用超薄切片機在常溫下將復合絲的一個端面切平整，然后以該平整面為基準，切下厚度約25微米的片材。最后將片材置于環己烷溶液中，在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯層。其中二級復合絲的切片制得孔徑約12.5微米，孔間距約12.5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板；三級復合絲的切片制得孔徑約5微米，孔間距約5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
實施例3
預制棒由直徑約10毫米的聚苯乙烯芯棒和內徑約10毫米，外徑約29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管裝配組成。拉絲裝置的加熱爐溫度為240℃。各級擠出速度為0.1毫米/分鐘~0.2毫米/分鐘。各級擠出口模孔徑為0.5毫米。預制棒、一級復合絲和二級復合絲在進行下一級熱拉伸之前進行烘干，烘干條件為抽真空，溫度為90℃~100℃，時間為6小時~8小時。經一級熱拉伸制得外徑約0.5毫米的一級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約170微米。裁剪3000根左右的一級復合絲緊密堆積固定在內徑約27毫米，外徑約29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經二級熱拉伸制得外徑約0.5毫米的包埋微米有序陣列結構的二級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約3微米，芯層間距約5.5微米。裁剪3000根左右的二級復合絲緊密堆積固定在內徑約27毫米，外徑約29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經三級熱拉伸制得外徑約0.5毫米的包埋微米有序陣列結構的三級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約50納米，芯層間距約90納米。采用丙烯酸酯樹脂對二級復合絲和三級復合絲進行包埋成塊，利用超薄切片機在常溫下將復合絲的一個端面切平整，然后以該平整面為基準，切下厚度約30微米的片材。最后將片材置于環己烷溶液中，在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯層。其中二級復合絲的切片制得孔徑約3微米，孔間距約5.5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板；三級復合絲的切片制得孔徑約50納米，孔間距約90納米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
實施例4
預制棒由直徑約11毫米的聚苯乙烯芯棒和內徑約11毫米，外徑約19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管裝配組成。拉絲裝置的加熱爐溫度為230℃。各級擠出速度為0.5毫米/分鐘~5毫米/分鐘。一級擠出口模孔徑為1毫米，二級擠出口模孔徑為2毫米，三級擠出口模孔徑為10毫米。預制棒、一級復合絲和二級復合絲在進行下一級熱拉伸之前進行烘干，烘干條件為抽真空，溫度為90℃~100℃，時間為6小時~8小時。經一級熱拉伸制得外徑約1毫米的一級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約550微米。裁剪300根左右的一級復合絲緊密堆積固定在內徑約17毫米，外徑約19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經二級熱拉伸制得外徑約2毫米的包埋微米有序陣列結構的二級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約55微米，芯層間距約45微米。裁剪70根左右的二級復合絲緊密堆積固定在內徑約17毫米，外徑約19毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經三級熱拉伸制得外徑約10毫米的包埋微米有序陣列結構的三級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約30微米，芯層間距約20微米。利用超薄切片機在常溫下將復合絲的一個端面切平整，然后以該平整面為基準，切下厚度約35微米的片材。最后將片材置于環己烷溶液中，在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯層。其中二級復合絲的切片制得孔徑約55微米，孔間距約45微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板；三級復合絲的切片制得孔徑約30微米，孔間距約20微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。
實施例5
預制棒由直徑約2毫米的聚苯乙烯芯棒和內徑約2毫米，外徑約29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管裝配組成。拉絲裝置的加熱爐溫度為240℃。各級擠出速度為0.1毫米/分鐘~1毫米/分鐘。一級擠出口模孔徑為0.5毫米，二級擠出口模孔徑為0.5毫米，三級擠出口模孔徑為2毫米。預制棒、一級復合絲和二級復合絲在進行下一級熱拉伸之前進行烘干，烘干條件為抽真空，溫度為90℃~100℃，時間為6小時~8小時。經一級熱拉伸制得外徑約0.5毫米的一級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約35微米。裁剪3000根左右的一級復合絲緊密堆積固定在內徑約27毫米，外徑約29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經二級熱拉伸制得外徑約0.5毫米的包埋微米有序陣列結構的二級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約600納米，芯層間距約7.5微米。裁剪3000根左右的二級復合絲緊密堆積固定在內徑約27毫米，外徑約29毫米的聚甲基丙烯酸甲酯管中，經三級熱拉伸制得外徑約2毫米的包埋微米有序陣列結構的三級復合絲，其中聚苯乙烯芯層直徑約40納米，芯層間距約500納米。采用丙烯酸酯樹脂對二級復合絲和三級復合絲進行包埋成塊，利用超薄切片機在常溫下將復合絲的一個端面切平整，然后以該平整面為基準，切下厚度約40微米的片材。最后將片材置于環己烷溶液中，在60℃下溶解去掉聚苯乙烯芯層。其中二級復合絲的切片制得孔徑約600納米，孔間距約7.5微米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板；三級復合絲的切片制得孔徑約40納米，孔間距約500納米的多孔聚甲基丙烯酸甲酯模板。.
實施例中的聚苯乙烯芯棒和聚甲基丙烯酸甲酯管均為市售產品加工而成。
本發明不局限于上述具體實施方式，所屬技術領域的技術人員從上述構思出發，不經過創造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本發明的保護范圍之內。