CN104120546B - 一种二维网状结构柔性可拉伸器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性器件制备技术领域，涉及一种二维网状结构柔性可拉伸器件的制备方法，先将高分子基片固定在玻璃片上，然后将玻璃片放置于铝箔接收极上，再用纸片将玻璃片覆盖；抽取静电纺丝前驱体溶液注入注射器针管内，接通高压直流电源和直流无刷电机的电源，不锈钢针头开始做往复直线运动，拿开覆盖在玻璃片上的纸片纺丝后，关闭高压直流电源，获得有序排列扭曲结构纤维阵列，然后将玻璃片平行转动90°继续按照如上纺丝条件电纺相同时间；最后关闭高压直流电源和直流无刷电机，电纺结束，制备得到二维网状结构柔性可拉伸器件；其制备工艺简单，操作方便，适用范围广，制备的柔性可拉伸器件响应快速，稳定性好。
Description
技术领域：
本发明属于柔性器件制备技术领域，涉及一种二维网状结构柔性可拉伸器件的制备方法，特别是一种利用新型静电纺丝技术制备基于微纳米纤维阵列的二维网状结构柔性可拉伸器件的方法。
背景技术：
目前，实现微纳电子器件这一信息基础单元的柔性化，使之能够适应非平面的工作环境，将突破传统电子器件的应用范围，促进信息与人的有机结合，自从上世纪60年代首例柔性太阳能电池(Nature,1967,213,1223；IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst.,1967,AES-3(1),107)问世以来，器件的柔性化便引起科研人员日益浓厚的研究兴趣。柔性器件在实现器件自身性能的同时，又兼有优异的柔韧性、高敏感性和透明性等一系列优异的性能，在传感器、未来显示、人造电子皮肤、可穿戴设备、能源等领域有着广阔的应用空间。柔性器件分为柔性可弯曲器件以及柔性可拉伸器件两种，任何材料只要制备的足够单薄，就会显示可弯曲性，尽管柔性可弯曲器件有着常规平面器件不能比拟的一系列优点，但当器件需要承受较大拉伸形变时就会显示出其局限性，柔性可拉伸器件在保持可弯曲器件优异柔韧性的同时，在承受较大拉伸应力时，仍能保持器件的完整性，并且表现出稳定的电学性能。因此，发展柔性可拉伸器件就显得更加重要，可拉伸性主要通过两种途径来获得：一是发展新型抗拉材料(Adv.Mater.2010,22,2228)；二是研究传统材料的新型结构(Adv.Mater.2010,22,2108)，对柔性可拉伸器件而言，材料结构的设计是关键因素，而材料结构设计的关键则是材料的预应变控制。目前，各种材料和结构通过预应变控制被应用于制备柔性可拉伸器件，例如扭曲结构薄膜(Nature,2008,454,748)、有机物网状结构(Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2005,102,12321)、石墨烯薄膜(Nature,2009,457,706)、碳纳米管掺杂的氟化共聚物(Science,2008,321,1468)等，其制作工艺包括真空镀膜、光刻法、机械法和静电纺丝法等，其中静电纺丝法被认为是一种简单有效、可以较大规模制备均匀连续一维纳米结构材料的方法，静电纺丝制备柔性器件正逐步成为关注的焦点(J.Mater.Chem.C,2014,2,1209)。但是，静电纺丝技术制备柔性器件主要集中在柔性可弯曲器件中，而对柔性可拉伸器件的研究则相对较少，而且制备柔性器件的电纺纤维形貌也以无纺布纤维结构和有序结构为主，导致其在应用到柔性可拉伸器件中时优势并不明显，原因在于其抗拉伸性能上仍有不足，因此在器件的抗拉伸性方面仍有很大提升空间。中国专利(专利申请号：201310001005.1)公开了一种利用原位电纺有序排列扭曲结构微纳米纤维阵列制备柔性可拉伸应变传感器的方法，Duan等(Nanoscale,2014,6,3289)报道了一种利用预拉伸柔性衬底制备有序排列扭曲结构纤维，并应用于柔性可拉伸压电器件的方法，这两种方法制备的柔性可拉伸器件较利用传统无序电纺纤维制备的同种器件具有更好的抗拉伸能力，但上述器件仅能实现沿纤维轴向的一维拉伸，不能更好的满足应用的需要。因此，充分发挥纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置(专利号：201210024657.2)的优势，提出一种制备二维网状结构柔性可拉伸器件的方法，所制备的可拉伸器件基于二次原位电纺有序排列扭曲结构导电聚合物纤维阵列的交叉结构后形成的二维网状结构。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对目前静电纺丝技术制备的柔性可拉伸器件抗拉伸能力不强，或只能沿纤维轴向进行单向拉伸的缺点，寻求设计提供一种静电纺丝法制备二维网状结构柔性可拉伸器件的方法，制备的柔性可拉伸器件能分别或同时实现二维方向上的应力拉伸，而且在二维方向上均具有较强抗拉伸能力。
为了实现上述目的，本发明在纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置中实现，其具体制备工艺过程为：先将一块有弹性的未经拉伸的矩形平整高分子基片固定在玻璃片上，然后将玻璃片放置于铝箔接收极上，再用一张干净、干燥的纸片将玻璃片覆盖；用一次性吸管抽取静电纺丝前驱体溶液注入注射器针管内，高压直流电源的正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米，接通高压直流电源，调节电压为3.0-5.0千伏，不锈钢针头开始纺丝；再接通直流无刷电机的电源，使直流无刷电机的转速为500-620rpm，不锈钢针头开始做往复直线运动，拿开覆盖在玻璃片上的纸片，纺丝30秒后，关闭高压直流电源，从而获得有序排列扭曲结构纤维阵列，然后将玻璃片平行转动90°继续按照如上纺丝条件电纺相同时间；最后关闭高压直流电源和直流无刷电机，电纺结束，在玻璃片上制备得到基于有序排列扭曲结构的二维网状结构柔性可拉伸器件。
本发明所述纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置的主体结构包括调速器、有机玻璃板、直流无刷电机、曲轴连杆、直线运动杆、支架、注射器针管、不锈钢针头、高压直流电源、铝箔收集极和底座；尖端磨平后的中空不锈钢针头固定于医用的注射器针管上，不锈钢针头与高压直流电源的正极相连，高压直流电源的负极与表面贴有铝箔的铝箔收集极相连，铝箔收集极固定于装置的底座上；注射器针管固定于直线运动杆(长度为20厘米)的一端，直线运动杆贯穿于两个并列的固定于底座上的支架上，直线运动杆能够在支架上做简谐直线运动，直线运动杆的另一端通过曲轴连杆与固定于直流无刷电机的有机玻璃板(长度为5.7厘米)相连，调速器用于控制直流无刷电机的转速，直流无刷电机的转速由调速器上的刻度读出，直流无刷电机与调速器均固定于底座上，构成纺丝用的注射器针管的往复直线运动部分；收集纤维时将玻璃片放在不锈钢针头作直线运动所经过路程的中点处。
本发明所述有弹性的未经拉伸的矩形平整高分子基片包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；静电纺丝前驱体溶液为导电聚合物材料或压电高分子材料，包括聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)、聚3-己基噻吩(P3HT)和聚偏氟乙烯(PVDF)，为提高电学和力学性质，还可在高分子材料里面掺加金属纳米粒子、碳纳米管和石墨烯等；根据材料的性质来制备柔性可拉伸应变传感器、柔性可拉伸电极和柔性可拉伸压电传感器等各种柔性可拉伸器件，且通过此方法制备的可拉伸器件性能稳定，在二维方向上均具有良好的抗拉伸性，这为拓宽电纺纤维的应用范围，以及未来柔性可拉伸器件的研究提供了一个更加广阔的思路。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是制备的二维网状结构柔性可拉伸器件在受到外界应力拉伸时，储存在扭曲结构中的预应变先得以释放，然后才是纤维本身的形变，实了柔性可拉伸器件所要求的预应变控制；二是制备的二维网状结构柔性可拉伸器件可以实现分别或同时在两个垂直方向上的拉伸应变，达到二维拉伸的效果，进一步满足实际应用的需要；其制备工艺简单，操作方便，适用范围广，制备的柔性可拉伸器件响应快速，稳定性好，能同时或分别实现在二维方向上的应力拉伸，在两个方向上均具有良好的抗拉伸性，满足实际应用的需要。
附图说明：
图1为本发明制备二维网状结构柔性可拉伸器件流程原理示意图。
图2为本发明所述纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置的主体结构原理示意图，其中包括调速器1、有机玻璃板2、直流无刷电机3、曲轴连杆4、直线运动杆5、支架6、注射器针管7、不锈钢针头8、高压直流电源9、铝箔收集极10和底座11。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明
实施例1：柔性可拉伸应变传感器的制备
本实施例包括静电纺丝前驱体溶液的配制、二维网状结构柔性可拉伸应变传感器的制备和性能测试三个步骤，其具体制备过程为：
(1)、静电纺丝前驱体溶液的配制：纺丝溶液为掺加二甲基亚砜(DMSO)的聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)：聚苯乙烯磺酸盐(PSS)—聚乙烯醇(PVA)溶液，先将0.3克PVA粉末与5毫升质量分数为1.1wt％的PEDOT:PSS水溶液混合，然后掺加体积比为5％的DMSO，在室温下磁力搅拌5小时，使溶液混合均匀后静置60分钟，获得均匀的静电纺丝前驱体溶液；
(2)、二维网状结构柔性可拉伸应变传感器的制备：先剪取3cm×3cm的平整PDMS膜，将PDMS膜固定在玻璃片的上表面，然后将玻璃片置于纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置的铝箔接收极上，再用一张干净、干燥的纸片将玻璃片覆盖；用一次性吸管抽取1毫升制备好的静电纺丝前驱体溶液注入注射器针管内，高压直流电源的正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米，接通高压直流电源，使高压直流电源的开关处于“ON”状态，调节电压为3.0-4.0千伏，静止的不锈钢针头开始纺丝；再接通直流无刷电机的电源，使直流无刷电机的转速达到约500rpm，静止的不锈钢针头开始做稳定的往复直线运动，快速拿开覆盖在玻璃片上的纸片，纺丝30秒后，关闭高压直流电源，使高压直流电源的开关之处于“OFF”状态，从而获得有序排列扭曲结构纤维阵列，然后将玻璃片平行转动90°继续按照如上纺丝条件电纺相同时间；最后关闭高压直流电源和直流无刷电机的电源，电纺结束，在玻璃片制备得到基于有序排列扭曲结构的二维网状结构导电聚合物微纳米纤维膜，即为二维网状结构柔性可拉伸应变传感器；
(3)、性能测试：在玻璃片相对四个边的末端制备电极后进行性能测试，经过测试，本实施例制备的二维网状结构柔性可拉伸应变传感器在纵、横两个方向发生应变为0～5％的时候，均保持良好的电学性能，且两个方向上的抗拉伸能力均大大提高。
实施例2：柔性可拉伸压电传感器的制备
本实施例包括静电纺丝前驱体溶液的配制、二维网状结构柔性可拉伸压电传感器的制备和性能测试三个步骤，其具体制备过程为：
(1)、静电纺丝前驱体溶液的配制：选用聚偏氟乙烯(PVDF)前驱体纺丝溶液，先将2克PVDF溶于重量比为1:1的N,N二甲基甲酰胺(DMF，4克)和丙酮(4克)溶剂，再在40℃时磁力搅拌4小时，使溶液充分混合后静置30分钟，得到均匀的静电纺丝前驱体溶液；
(2)、二维网状结构压电高分子微纳米纤维膜的制备：先剪取3cm×3cm的平整PDMS膜，将PDMS膜固定在玻璃片的上表面，然后将玻璃片置于纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置的铝箔接收极上，用一张干净、干燥的纸片将玻璃片覆盖；再用一次性吸管抽取1毫升制备好的静电纺丝前驱体溶液注入注射器针管内，高压直流电源的正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米，接通高压直流电源，使高压直流电源的开关处于“ON”状态，调节电压为4.0-5.0千伏，静止的不锈钢针头开始纺丝；再接通直流无刷电机的电源，使直流无刷电机的转速达到620rpm，静止的不锈钢针头开始做稳定的往复直线运动，拿开覆盖于玻璃片上的纸片，纺丝30秒后，关闭高压直流电源，使高压直流电源的开关之处于“OFF”状态，从而获得有序排列扭曲结构纤维阵列；然后将玻璃片平行转动90°，继续按照如上纺丝条件电纺相同时间；最后关闭高压直流电源，再关闭直流无刷电机的电源，电纺结束，制备得到基于有序排列扭曲结构的二维网状结构纤维膜，即为二维网状结构柔性可拉伸压电传感器；
(3)、性能测试：在玻璃片相对四个边的末端制备电极后进行性能测试，经过测试，本实施例制备的二维网状结构柔性可拉伸压电传感器在纵、横两个方向发生应变为0～4.5％的时候，均具有良好的压电性能，且两个方向上的抗拉伸能力均大大提高。
Claims (2)
1.一种二维网状结构柔性可拉伸压电传感器的制备方法，其特征在于具体制备过程为：
(1)、静电纺丝前驱体溶液的配制：选用聚偏氟乙烯前驱体纺丝溶液，先将2克PVDF溶于的4克N,N二甲基甲酰胺和4克丙酮溶剂，再在40℃时磁力搅拌4小时，使溶液充分混合后静置30分钟，得到均匀的静电纺丝前驱体溶液；
(2)、二维网状结构压电高分子微纳米纤维膜的制备：先剪取3cm×3cm的平整聚二甲基硅氧烷膜，将聚二甲基硅氧烷膜固定在玻璃片的上表面，然后将玻璃片置于纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置的铝箔接收极上，用一张干净、干燥的纸片将玻璃片覆盖；再用一次性吸管抽取1毫升制备好的静电纺丝前驱体溶液注入注射器针管内，高压直流电源的正极接不锈钢针头，负极接铝箔收集极，调节不锈钢针头与铝箔收集极的距离为3-4厘米，接通高压直流电源，使高压直流电源的开关处于“ON”状态，调节电压为4.0-5.0千伏，静止的不锈钢针头开始纺丝；再接通直流无刷电机的电源，使直流无刷电机的转速达到620rpm，静止的不锈钢针头开始做稳定的往复直线运动，拿开覆盖于玻璃片上的纸片，纺丝30秒后，关闭高压直流电源，使高压直流电源的开关之处于“OFF”状态，从而获得有序排列扭曲结构纤维阵列；然后将玻璃片平行转动90°，继续按照如上纺丝条件电纺相同时间；最后关闭高压直流电源，再关闭直流无刷电机的电源，电纺结束，制备得到基于有序排列扭曲结构的二维网状结构纤维膜，即为二维网状结构柔性可拉伸压电传感器。
2.根据权利要求1所述二维网状结构柔性可拉伸压电传感器的制备方法，其特征在于所述纺丝喷头往复直线运动式静电纺丝装置的主体结构包括调速器、有机玻璃板、直流无刷电机、曲轴连杆、直线运动杆、支架、注射器针管、不锈钢针头、高压直流电源、铝箔收集极和底座；尖端磨平后的中空不锈钢针头固定于医用的注射器针管上，不锈钢针头与高压直流电源的正极相连，高压直流电源的负极与表面贴有铝箔的铝箔收集极相连，铝箔收集极固定于装置的底座上；注射器针管固定于直线运动杆的一端，直线运动杆贯穿于两个并列的固定于底座上的支架上，直线运动杆能够在支架上做简谐直线运动，直线运动杆的另一端通过曲轴连杆与固定于直流无刷电机的有机玻璃板相连，调速器用于控制直流无刷电机的转速，直流无刷电机的转速由调速器上的刻度读出，直流无刷电机与调速器均固定于底座上，用于带动注射器针管做往复直线运动；收集纤维时将玻璃片放在不锈钢针头作直线运动所经过路程的中点处。
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