CN107123470A - 一种柔弹性导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种柔弹性导电薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔弹性导电薄膜及其制备方法，属于导电薄膜技术领域。该导电薄膜包括预拉伸的弹性基底、弹性连接体和纳米导线，弹性连接体位于预拉伸的弹性基底和纳米导线之间；预拉伸的弹性基底与弹性连接体接触形成粘接面；弹性连接体材料部分嵌入到纳米导线中形成混合过渡区用以增强粘接性能。本发明柔弹性导电薄膜采用弹性材料和纳米材料，并采用预拉伸工艺制成，具有很好的柔弹性，能够在拉伸、弯曲、扭转状态下保持稳定的导电特性；可以广泛应用于覆盖智能机器人、人体、衣物、医疗设备等领域复杂或动态表面的电子皮肤，以及对柔弹性有特殊要求的触摸屏、显示器、薄膜太阳能电池、有机发光二极管等。

Description

一种柔弹性导电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及导电薄膜技术领域，特别是指一种柔弹性导电薄膜及其制备方法。
背景技术
电子皮肤是一种可以覆盖智能机器人、人体、衣物、医疗设备等复杂或动态表面上，实现智能制造和机器人等的传感及感知以及保障人机共融系统的安全等最为重要的可穿戴设备之一，具有轻薄化、柔性化、弹性化的特点，能够自由弯曲、拉伸、扭转且不失其正常功能。作为电极层的柔弹性导电薄膜，不仅是电子皮肤的重要组成部分，而且还是对柔弹性有特殊要求的触摸屏、显示器、薄膜太阳能电池、有机发光二极管等重要组成部分。
目前，在电子皮肤领域广泛采用的导电薄膜主要有：1.在弹性基底上利用印刷技术打印导电线路；2.在弹性基底上喷涂、溅射、沉积金属纳米导电微粒，金属纳米线，石墨烯，碳纳米管等。而目前采用弹性基底和导电金属材料的导电薄膜，在动态测量过程中其导电性能的变化会影响到电子皮肤的测量准确性，尤其是在发生拉伸，弯曲变形情况，导电薄膜的阻值会发生明显变化。因此，如何在保证导电薄膜具有柔、弹性的基础上，实现导电薄膜的导电性能稳定，是本领域技术人员亟待解决的问题。
而现有的导电薄膜存在制备工艺方法复杂、成本高等缺点，限制了电子皮肤的广泛应用。因此，如何实现采用简单经济的制备方法制备具有柔、弹性且导电性能稳定的导电薄膜，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种柔弹性导电薄膜及其制备方法。
该导电薄膜包括预拉伸的弹性基底、弹性连接体和纳米导线，其中，弹性连接体设置在预拉伸的弹性基底和纳米导线之间。
预拉伸的弹性基底和弹性连接体均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料由固化剂和预聚体两种材料均匀混合而成，所述固化剂和预聚体的配比为1:5～1:15。
预拉伸的弹性基底的厚度为1～3mm，拉伸率在10％～30％。
弹性连接体的厚度为50～500μm。
纳米导线采用银纳米线(AgNWs)材料，宽度为2～5mm。
银纳米线(AgNWs)材料的纳米线长度为10～50μm，直径为10～100nm。
预拉伸的弹性基底和弹性连接体均是通过旋涂方式形成的。
纳米导线是通过点滴银纳米线(AgNWs)溶液形成的。
相应的，本发明提供如下制备方法，包括：
S1、在玻璃基底旋涂固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成弹性基底；
S2、将固化后的弹性基底从玻璃基底上剥离并进行预拉伸形成预拉伸的弹性基底；
S3、在玻璃基底上点滴银纳米线(AgNWs)溶液形成纳米导线；
S4、在纳米导线上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
S5、将预拉伸的弹性基底放置在S4中未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上，整体进行固化；
S6、将固化后的整体从玻璃板上剥离形成柔弹性导电薄膜。
S4中聚二甲基硅氧烷(PDMS)嵌入到所述的银纳米线(AgNWs)中；
S5中未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)起到粘接剂的作用。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明的导电薄膜采用了柔弹性好的薄膜材料，无毒且生物相容性好；采用了导电性优异的纳米电极，纳米尺寸效应有助于保证导电薄膜的柔弹性；预拉伸的弹性体保证形成的导电薄膜在拉伸时阻值变化小，导电性能稳定；采用未固化方式来粘接形成导电薄膜，避免使用粘接剂增加导电薄膜的厚度。
本发明的导电薄膜因采用柔弹性材料和纳米材料，以及预拉伸的制作工艺，而具有很好的柔弹性和稳定的导电性能，由于其制备工艺简单，从而极大地降低了生产成本，可广泛应用于电子皮肤领域，以及对柔弹性有特殊要求的导电电路中。
附图说明
图1为本发明的柔弹性导电薄膜的结构剖视图；
图2为本发明的导电薄膜的制作流程图，图2a为预拉伸的弹性基底制作，图2b为纳米导线制作，图2c为整体固化成型；
图3为柔弹性导电薄膜拉伸率与电阻关系特性曲线。
其中：
1-预拉伸的弹性基底；2-弹性连接体；3-纳米导线；4-粘接面；5-混合过渡区；6-未预拉伸的弹性基底；7-玻璃片一；8-组件一；9-玻璃片二；10-液态二甲基硅氧烷；11-组件二；12-导电薄膜。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种柔弹性导电薄膜及其制备方法。如图1所示，该导电薄膜包括预拉伸的弹性基底1、弹性连接体2和纳米导线3，其中，弹性连接体2位于预拉伸的弹性基底1和纳米导线3之间，预拉伸的弹性基底1与弹性连接体2接触形成粘接面4，保证预拉伸的弹性基底1与弹性连接体2之间的紧密粘接。弹性连接体2材料部分嵌入到纳米导线3中形成混合过渡区5，增强了弹性连接体2和纳米导线3之间的粘接效果，由于纳米导线3上的纳米线从弹性连接体2上脱落会直接影响导电性能，因此通过未固化弹性连接体2渗入到纳米导线3的纳米线的间隙中，再进行固化处理，有助于提高了导电薄膜的使用寿命和性能。预拉伸的弹性基底1和纳米导线3之间通过弹性连接体2固化粘接成一体，固化后的弹性连接体2起到粘结剂的作用，有利于导电薄膜的减薄。
其中，预拉伸的弹性基底1和弹性连接体2采用聚二甲基硅氧烷材料制成，聚二甲基硅氧烷(PDMS)为一种高分子有机硅化合物，无毒、透明、流动性强、生物适应性好。预拉伸的弹性基底1厚度为1～3mm，预拉伸率为10％～30％，预拉伸处理将会提高导电薄膜在导电稳定性方面的性能；弹性连接体2的厚度为50～500μm。
聚二甲基硅氧烷材料由固化剂和预聚体均匀混合而成，固化剂和预聚体的配比为1:5～1:15。
纳米导线3采用银纳米线，银纳米线的纳米线长度为10～50μm，直径为10～100nm，宽度为2～5mm。银纳米线(AgNWs)形成的纳米导线3的厚度，取决于银纳米线(AgNWs)溶液点滴的量。
预拉伸的弹性基底1与弹性连接体2通过固化液态聚二甲基硅氧烷粘接在一起。
本发明还提供了一种柔弹性导电薄膜的制备方法，如图2所示，包括：预拉伸的弹性基底制作、纳米导线网制作和整体固化成型。
1、预拉伸的弹性基底制作
如图2a所示，将所述的用于制备二甲基硅氧烷(PDMS)材料的固化剂和预聚体按比例均匀混合，放置于真空压力容器中除去混合气泡，制取二甲基硅氧烷(PDMS)；
在玻璃片上使用匀胶机(旋涂仪)旋涂一层二甲基硅氧烷(PDMS)，然后在恒温炉内60℃下固化12小时，形成未预拉伸的弹性基底6；
从玻璃片一7上剥离未预拉伸的弹性基底6，将未预拉伸的弹性基底6裁剪成所需要的尺寸，按照所需的拉伸率进行拉伸形成预拉伸的弹性基底1并固定在玻璃片一7上，整体形成组件一8。
2、纳米导线网制作
如图2b所示，将银纳米线(AgNWs)分散液置于离心管中，加入乙醇，利用超声波振荡器充分震荡，再使用离心机离心制备银纳米线(AgNWs)，反复过程2～4次；
利用注射器将银纳米线(AgNWs)溶液滴在裁剪好的玻璃片二9中，待乙醇挥发后，重复点滴干燥过程，通过控制点滴次数来控制银纳米线(AgNWs)5的厚度；
进一步，在银纳米线(AgNWs)5上旋涂一层液态的二甲基硅氧烷(PDMS)10，整体形成组件二11。
3、整体固化成型
如图2c所示，将组件8小心地放置在组件11上，并放在真空环境半个小时除去内部的气泡；
将组装好的样品放置到恒温炉中，在60℃下固化12小时，使液态的二甲基硅氧烷(PDMS)10充分固化形成弹体连接体2；
将玻璃片一7和玻璃片二9小心揭下，得到导电薄膜12。
进一步，对得到的导电薄膜12开展了拉伸率与电阻之间的变化规律研究，得到导电薄膜12拉伸率与电阻的关系特性曲线，如图3所示，可以看出经过预拉伸的导电薄膜12在拉伸率30％内，导电薄膜12的阻值变化仅6Ω，因此经过预拉伸处理的导电薄膜12具有很好的导电稳定性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种柔弹性导电薄膜，其特征在于：包括预拉伸的弹性基底(1)、弹性连接体(2)和纳米导线(3)，其中，弹性连接体(2)位于预拉伸的弹性基底(1)和纳米导线(3)之间，预拉伸的弹性基底(1)与弹性连接体(2)接触形成粘接面(4)，弹性连接体(2)材料部分嵌入到纳米导线(3)中形成混合过渡区(5)用以增强粘接性能。
2.根据权利要求1所述的柔弹性导电薄膜，其特征在于：所述预拉伸的弹性基底(1)和弹性连接体(2)采用聚二甲基硅氧烷材料制成，其中，预拉伸的弹性基底(1)厚度为1～3mm，预拉伸率为10％～30％；弹性连接体(2)的厚度为50～500μm。
3.根据权利要求1所述的柔弹性导电薄膜，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷材料由固化剂和预聚体均匀混合而成，固化剂和预聚体的配比为1:5～1:15。
4.根据权利要求1所述的柔弹性导电薄膜，其特征在于：所述纳米导线(3)采用银纳米线，银纳米线的纳米线长度为10～50μm，直径为10～100nm，宽度为2～5mm。
5.根据权利要求1所述的柔弹性导电薄膜，其特征在于：所述预拉伸的弹性基底(1)与弹性连接体(2)通过固化液态聚二甲基硅氧烷粘接在一起。
6.制备权利要求1所述的柔弹性导电薄膜的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、在玻璃基底旋涂固化聚二甲基硅氧烷形成弹性基底；
S2、将S1中固化后的弹性基底从玻璃基底上剥离并进行预拉伸形成预拉伸的弹性基底(1)；
S3、在玻璃基底上点滴银纳米线溶液形成纳米导线(3)；
S4、在S3中制备的纳米导线(3)上旋涂聚二甲基硅氧烷；
S5、将预拉伸的弹性基底(1)放置在S4中未固化的聚二甲基硅氧烷上，整体进行固化；
S6、将S5中固化后的整体从玻璃板上剥离形成柔弹性导电薄膜。
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