CN108981986A - 一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法 - Google Patents

一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子皮肤领域，公开了一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法。包括如下制备过程：（1）配制聚二甲基硅氧烷膜液；（2）加入多壁碳纳米管和促溶剂制得混合液；（3）通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；（4）保持电场，将复合膜溶液涂覆在光滑基质上，恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料。本发明通过电场对碳纳米管进行取向，形成了均一的导电网络，改善了复合材料对应力的响应，得到的电子皮肤灵敏度高，导电性好，并且制备工艺简单，易于推广，可广泛用于电子皮肤领域。

Description

一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法
技术领域
本发明涉及电子皮肤领域，公开了一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法。
背景技术
皮肤是人体最大的器官，承担着保护人体内部组织和感受外界刺激的功能。与人体皮肤类似，电子皮肤可以保护智能机器人内部的精密结构不受损伤，更重要的是，它能赋予机器人“知觉”，让其能感受到外界环境的刺激和变化，及时做出响应。电子皮肤，又名新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性的被称为电子皮肤。
相较于传统的刚性触觉传感器，电子皮肤更加轻薄柔软，可被加工成各种形状，像衣服一样附着在人体或者是机器人的身体表面，使其具备感觉和触觉。目前，电子皮肤主要应用于人体生理参数检测和机器人柔性触觉传感器两大领域。通过将电子皮肤安装到人体对应的关键部位，从而实现人体心率、血压、肌肉张力等生理参数的检测。
通过将电子皮肤贴附在机器人手指、手臂上，使得机器人获得了感受外界触摸力的能力 按照电子皮肤的基本构造划分，电子皮肤的材料可以分为敏感材料和基底材料两大类。其中，敏感材料作为电子皮肤的灵魂，能够直接影响电子皮肤精准度、抗干扰、低成本、微型化等多项性能指标，因此备受研发人员的关注和重视。电子皮肤的基本单元是柔性应变传感器。目前多新材料被开发用作电子皮肤的应变敏感材料，包括碳纳米管、石墨烯、金属和半导体纳米线、金属纳米颗粒、有机高分子材料等。然而，这些材料都有着自己的短板，强烈地限制了电子皮肤的实际应用。
中国发明专利申请号201510853992.7公开了一种基于纤维素的柔性应力-应变敏感材料的制备方法，包括如下步骤如下：（1）将纤维素加入水中混合均匀，形成0.2~5wt%的水溶液；将上述水溶液冷冻干燥，制得纤维素气凝胶；（2）如上所述步骤（1）中所得纤维素气溶胶在真空或惰性气氛保护下，在600~1000℃的高温下进行裂解处理0.5~5小时，制得碳凝胶（3）将上述碳凝胶中浇注PDMS树脂，真空脱泡；树脂固化后，即得具有高灵敏度的柔性应力-应变敏感材料。该方法具有原料丰富、便宜、可再生，制备工艺简单、可控，所制得的应力-应变敏感材料应变范围大、灵敏度高的特点。
中国发明专利申请号201611046781.3公开了一种基于三维石墨烯/碳纳米管网络柔性多功能应变传感器的制备方法，该方法通过两步化学气相沉积法生长三维石墨烯和一维碳纳米管的三维网络，并将该三维网络与作为柔性基底的弹性聚合物进行固化结合，得到基于石墨烯和碳纳米管三维网络的柔性可穿戴式多功能电子应变传感器。该发明电子应变传感器打破了应变传感器拉伸性和灵敏性之间的限制关系，具有优异的电子应变传感性能，微型加热器的功能，实现对人体生理信号和物理活动的高灵敏性检测，展现优异的电子皮肤模拟能力、微加热源应用性能。
根据上述，现有方案中用于电子皮肤的应变敏感材料，因为导电性差、制作工艺复杂、灵敏度低等缺点，极大地限制了电子皮肤的实际应用，本发明提出了一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法，可有效解决上述技术问题。
发明内容
目前应用较广的电子皮肤的应变敏感材料，存在导电性差、制作工艺复杂、灵敏度低等缺点，限制了电子皮肤的发展应用。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，制备的具体过程为：
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料。
优选的，步骤（1）所述交联剂为乙烯基硅油、含氢硅油中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷96~98重量份、交联剂2~4重量份。
优选的，步骤（2）所述促溶剂为正戊烷、苯甲酸钠、水杨酸钠、对氨基苯甲酸、尿素、菸酰胺、乙酰胺、枸橼酸、异辛醇、吐温中的至少一种。
优选的，步骤（2）所述混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液80~92重量份、多壁碳纳米管5~15重量份、促溶剂3~5重量份。
优选的，步骤（3）所述外加电场的强度为0.3~0.5kV，作用时间为4~10min。
优选的，步骤（4）所述光滑基质为有机玻璃板、聚苯乙烯板、聚丙烯板、聚甲醛板、聚酰亚胺板、聚碳酸酯板中的一种。
优选的，步骤（4）所述复合膜溶液的涂覆厚度为200~800A°。
优选的，步骤（4）所述恒温干燥的温度为40~60℃，时间为24~48h。
由上述方法制备得到的一种用于电子皮肤的应变敏感材料，将聚二甲基硅氧烷与交联剂乙烯基硅油混合均匀配制成聚二甲基硅氧烷膜液，向聚二甲基硅氧烷膜液中添加多壁碳纳米管和促溶剂正戊烷，充分搅拌至混合均匀，将该混合液置于带电极的容器中，通过外加电场取向的方法，获得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液，继续保持电场作用，将膜液均匀涂覆在光滑基质上，然后将膜恒温干燥后即可。
测试本发明制备的应变敏感材料的灵敏度及表面电阻率，并与石墨烯应变敏感材料及金属合金应变敏感材料相对比，本发明的方法具有明显优势，如表1所示。
表1：
本发明提供了一种用于电子皮肤的应变敏感材料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出了通过外加电场取向制备用于电子皮肤的应变敏感材料的方法。
2、通过电场的作用，使得碳纳米管有着更好的取向，在聚二甲基硅氧烷中分散得更加规整，导电网络比较均一，致使复合材料对应力的响应更加明显，得到的电子皮肤灵敏度高，导电性好。
3、本发明的制备工艺简单，易于推广，可广泛用于电子皮肤领域。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；交联剂为乙烯基硅油；聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷97重量份、交联剂3重量份；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；促溶剂为正戊烷；混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液806重量份、多壁碳纳米管11重量份、促溶剂3重量份；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；外加电场的强度为0.4kV，作用时间为7min；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料；光滑基质为有机玻璃板；复合膜溶液的涂覆厚度为520A°；恒温干燥的温度为52℃，时间为35h。
实施例1制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。
实施例2
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；交联剂为含氢硅油；聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷96重量份、交联剂4重量份；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；促溶剂为苯甲酸钠；混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液89重量份、多壁碳纳米管7重量份、促溶剂4重量份；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；外加电场的强度为0.3kV，作用时间为8min；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料；光滑基质为聚苯乙烯板；复合膜溶液的涂覆厚度为300A°；恒温干燥的温度为45℃，时间为45h。
实施例2制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。
实施例3
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；交联剂为乙烯基硅油；聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷98重量份、交联剂2重量份；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；促溶剂为水杨酸钠；混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液83重量份、多壁碳纳米管12重量份、促溶剂5重量份；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；外加电场的强度为0.5kV，作用时间为5min；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料；光滑基质为聚丙烯板；复合膜溶液的涂覆厚度为700A°；恒温干燥的温度为55℃，时间为28h。
实施例3制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。
实施例4
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；交联剂为含氢硅油；聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷96重量份、交联剂4重量份；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；促溶剂为对氨基苯甲酸；混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液92重量份、多壁碳纳米管5重量份、促溶剂3重量份；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；外加电场的强度为0.3kV，作用时间为10min；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料；光滑基质为聚甲醛板；复合膜溶液的涂覆厚度为200A°；恒温干燥的温度为40℃，时间为48h。
实施例4制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。
实施例5
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；交联剂为乙烯基硅油；聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷98重量份、交联剂2重量份；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；促溶剂为尿素；混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液80重量份、多壁碳纳米管15重量份、促溶剂5重量份；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；外加电场的强度为0.5kV，作用时间为4min；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料；光滑基质为聚酰亚胺板；复合膜溶液的涂覆厚度为800A°；恒温干燥的温度为60℃，时间为24h。
实施例5制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。
实施例6
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；交联剂为含氢硅油；聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷97重量份、交联剂3重量份；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；促溶剂为吐温；混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液86重量份、多壁碳纳米管10重量份、促溶剂4重量份；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；外加电场的强度为0.4kV，作用时间为7min；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料；光滑基质为聚碳酸酯板；复合膜溶液的涂覆厚度为500A°；恒温干燥的温度为50℃，时间为36h。
实施例6制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。
对比例1
对比例1没有施加外加电场，其他与实施例6一致，制得的应变敏感材料，其灵敏度及表面电阻率如表2所示。上述性能指标的测试方法为：
将本发明制得的应变敏感材料制成边长为50mm、厚度为0.2mm的样品；
采用表面电阻率测试仪测定材料表面电阻率，表征其导电性能；
将样品粘接到0.05mm的磷铜片上，制成弯曲振动结构，外壳为有机玻璃；连接光-电效应传感器，使用功率为60mW的He-Ne激光器，光斑为1mm，通过45°反射镜入射到传感器接受面，伴随热膨胀大小产生电压输出，利用参考换能器测得光-声输出信号，得到传感器灵敏度分布图及数据，进而得到本发明应变敏感材料的灵敏度。
表2：

Claims (10)

1.一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于，制备的具体过程为：
（1）将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合均匀，配制成聚二甲基硅氧烷膜液；
（2）先向步骤（1）制得的聚二甲基硅氧烷膜液中加入多壁碳纳米管和促溶剂，然后充分搅拌至混合均匀，制得混合液；
（3）先将步骤（2）制得的混合液置于带电极的容器中，然后通过外加电场取向的方法，制得高取向的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜溶液；
（4）继续保持电场作用，先将步骤（3）制得的复合膜溶液均匀涂覆在光滑基质上，然后恒温干燥，制得碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合膜，即用于电子皮肤的应变敏感材料。
2.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述交联剂为乙烯基硅油、含氢硅油中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述聚二甲基硅氧烷膜液中，聚二甲基硅氧烷96~98重量份、交联剂2~4重量份。
4.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述促溶剂为正戊烷、苯甲酸钠、水杨酸钠、对氨基苯甲酸、尿素、菸酰胺、乙酰胺、枸橼酸、异辛醇、吐温中的至少一种。
5.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述混合液中，聚二甲基硅氧烷膜液80~92重量份、多壁碳纳米管5~15重量份、促溶剂3~5重量份。
6.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述外加电场的强度为0.3~0.5kV，作用时间为4~10min。
7.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述光滑基质为有机玻璃板、聚苯乙烯板、聚丙烯板、聚甲醛板、聚酰亚胺板、聚碳酸酯板中的一种。
8.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述复合膜溶液的涂覆厚度为200~800A°。
9.根据权利要求1所述一种用于电子皮肤的应变敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述恒温干燥的温度为40~60℃，时间为24~48h。
10.权利要求1~9任一项所述方法制备得到的一种用于电子皮肤的应变敏感材料。
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