CN109183401B - 基于微滴按需喷射技术的织物传感器的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，包括二维移动平台，二维移动平台上表面平铺有待微滴喷射打印的织物，所述二维移动平台侧面设置有CCD相机，二维移动平台上方并排固定设置有压电式喷头A和压电式喷头B，压电式喷头A和压电式喷头B各自通过导线与驱动电源连接，驱动电源、二维移动平台、CCD相机均与控制器连接。本发明还公开了一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法。本发明的装置及方法，将微滴按需喷射技术与液相还原沉积技术相结合，使溶液微滴按照预定轨迹喷射在织物表面，通过化学反应沉积形成织物传感器，工序少，能耗低，周期短，为织物传感器的制备开辟一条新路径。
Description
技术领域
本发明属于可穿戴电子器件技术领域，涉及一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，本发明还涉及一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法。
背景技术
智能纺织品是继功能纺织品之后发展起来的一类纺织品，是将纺织材料与微电子等技术结合的一种新型纺织品。实现织物表面传感器的柔性化制备是电子信息技术与纺织品集成的关键。目前柔性可穿戴电子传感器大多基于金属和半导体材料，其便携性、柔韧性和可穿戴特性差，且在制造过程中存在成本高、工艺复杂等问题。因此，实现织物传感器的低成本、少工序、短周期制造是当前要解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，解决了现有技术在制备的织物传感器影响织物柔性的问题。
本发明的另一目的是提供一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，包括二维移动平台，二维移动平台上表面平铺有待微滴喷射打印的织物，所述二维移动平台侧面设置有CCD相机，二维移动平台上方并排固定设置有压电式喷头A和压电式喷头B，压电式喷头A和压电式喷头B各自通过导线与驱动电源连接，驱动电源、二维移动平台、CCD相机均与控制器连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法，利用上述的基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，按照以下步骤实施：
步骤1：将3±0.1g的抗坏血酸融于10ml的去离子水中，再向去离子水中加入0.4±0.01g的聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀充分溶解；采用慢速滤纸进行第一次过滤，再采用双层慢速滤纸进行第二次过滤，得到用于喷射的抗坏血酸溶液；
步骤2：将5±0.1g的硝酸银融于10ml的去离子水中，待其完全溶解；采用慢速滤纸进行第一次过滤，再采用双层慢性滤纸进行第二次过滤；然后向硝酸银溶液中加入0.2±0.01g长度为10μm、直径为100nm的纳米银线，放置在超声振荡仪中分散30-45分钟，得到分散均匀的纳米银线-硝酸银溶液；
步骤3：用阳离子脂肪酰胺溶液浸泡含棉量为100％的织物5-10分钟，然后用轧车扎压，将其烘干、定型，得到平整的用于打印的织物；
步骤4：将处理好的织物平铺在二维移动平台上，并在压电式喷头A中盛装抗坏血酸溶液，在压电式喷头B中盛装纳米银线-硝酸银溶液；
步骤5：启动控制器及二维移动平台，
首先，二维移动平台按照预定轨迹相对于压电式喷头A移动，同时控制器控制驱动电源驱动压电式喷头A中的抗坏血酸溶液喷出，抗坏血酸微滴按照二维移动平台预设运动轨迹沉积在织物上，抗坏血酸溶液沉积完成后，驱动电源停止工作；
然后，二维移动平台运行回初始位置，重新按照预定轨迹相对于压电式喷头B移动，控制器控制驱动电源驱动压电式喷头B中的纳米银线-硝酸银溶液喷出，二维移动平台重复与抗坏血酸溶液的沉积轨迹，使得抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生化学反应，形成预定轨迹的导电线路；
步骤6：将完成化学反应的织物在室温下静置1±0.1小时，待两种溶液反应完全后，利用聚二甲基硅氧烷对沉积好的导电线路进行封装，即成。
本发明的有益效果是，将微滴按需喷射技术与液相还原沉积技术相结合，将溶液微滴按照预定轨迹喷射在织物表面，通过化学反应沉积形成织物传感器，解决了现有方法制备织物传感器工艺复杂、成本高、柔性差等问题，并且该制备方法工序少，能耗低，周期短，为织物传感器的制备开辟一条新路径。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是本发明装置中的压电式喷头A3的结构示意图；
图3是本发明方法打印出的织物传感器平面示意图；
图4是图3中的A-A截面示意图。
图中，1.二维移动平台，2.织物，3.压电式喷头A，4.压电式喷头B，5.驱动电源，6.CCD相机，7.控制器，8.玻璃储液腔，9.压电陶瓷，10.玻璃喷嘴，11.环氧树脂，12.导电线路层，13.封装层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置(简称压电式双喷头微滴喷射装置)，结构是，
包括二维移动平台1，二维移动平台1上表面平铺有待微滴喷射打印的织物2，所述二维移动平台1侧面设置有CCD相机6，二维移动平台1上方并排固定设置有压电式喷头A3和压电式喷头B4，压电式喷头A3和压电式喷头B4各自通过导线与驱动电源5连接，驱动电源5、二维移动平台1、CCD相机6均与控制器7连接。
驱动电源5可产生两路互不干扰的激励脉冲分别作用于压电式喷头A3和压电式喷头B4，所述激励脉冲为单极型梯形波，电压幅值为90V-340V，脉冲宽度5μs-40μs，频率1Hz-500Hz。
参照图2，压电式喷头A3和压电式喷头B4结构一致，其中压电式喷头A3的结构是，从上到下依次包括玻璃储液腔8、圆环式压电陶瓷9和玻璃喷嘴10，玻璃储液腔8与圆环式压电陶瓷9和玻璃喷嘴10均通过环氧树脂11粘合为一体，并且玻璃储液腔8与圆环式压电陶瓷9和玻璃喷嘴10三者连通。
玻璃储液腔8的高度为8cm-15cm，外径D1为6cm，内径D2为5cm。
圆环式压电陶瓷9选用外径D5为25mm，内径D3为5mm，厚度t为1mm-6mm。
玻璃喷嘴10下端的喷口直径D4为50μm-150μm。
参照图3、图4，最终制备的织物传感器为三层结构，即作为基底的织物2，织物2上表面粘附有导电线路层12，导电线路层12上表面封装有封装层13(材料为聚二甲基硅氧烷，即PDMS)；其中的导电线路层12由抗坏血酸溶液与硝酸银溶液在室温下通过液相还原法沉积而成。
本发明的方法，采用上述的装置，先后控制抗坏血酸溶液与硝酸银溶液喷出，并按照相同的沉积轨迹沉积，沉积在一起的抗坏血酸与硝酸银发生化学反应，形成导电线路，按照以下步骤具体实施：
步骤1：将3±0.1g的抗坏血酸融于10ml的去离子水中，再向该去离子水中加入0.4±0.01g的聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀充分溶解；采用慢速滤纸(孔径为1-3μm)进行第一次过滤，再采用双层慢速滤纸(孔径为1-3μm)进行第二次过滤，得到可用于喷射的抗坏血酸溶液；
步骤2：将5±0.1g的硝酸银融于10ml的去离子水中，待其完全溶解；采用慢速滤纸(孔径为1-3μm)进行第一次过滤，再采用双层慢性滤纸(孔径为1-3μm)进行第二次过滤；然后向硝酸银溶液中加入0.2±0.01g长度为10μm、直径为100nm的纳米银线，放置在超声振荡仪中分散30-45分钟，得到分散均匀的纳米银线-硝酸银溶液；
步骤3：用阳离子脂肪酰胺溶液0.6％m/v浸泡含棉量为100％的(原料)织物5-10分钟，然后用轧车扎压(带液率80％)，最后将其烘干、定型，处理完后得到平整的用于打印的织物2；
步骤4：将处理好的织物2平铺在二维移动平台1上，并在压电式喷头A3中盛装抗坏血酸溶液，在压电式喷头B4中盛装纳米银线-硝酸银溶液；
步骤5：启动控制器7及二维移动平台1，
首先，二维移动平台1按照预定轨迹相对于压电式喷头A3移动，同时控制器7控制驱动电源5驱动压电式喷头A3中的抗坏血酸溶液喷出，抗坏血酸微滴按照二维移动平台1预设运动轨迹沉积在织物2上，抗坏血酸溶液沉积完成后，驱动电源5停止工作；
然后，二维移动平台1运行回初始位置，重新按照预定轨迹相对于压电式喷头B4移动，控制器7控制驱动电源5驱动压电式喷头B4中的纳米银线-硝酸银溶液喷出，二维移动平台1重复与抗坏血酸溶液的沉积轨迹，使得抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生化学反应，形成预定轨迹的导电线路；
步骤6：将完成化学反应的织物2(打印好的织物)在室温下静置1±0.1小时，待两种溶液反应完全后，最后利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)对沉积好的导电线路进行封装，即成。
本发明装置的工作原理为：在控制器7中建立织物传感器的电路数字化模型，通过线路的数控代码，实现二维移动平台1的数字化驱动；同时通过控制器7控制驱动电源5驱动圆环式压电陶瓷9，压电环通电后就会产生振动，挤压抗坏血酸溶液或纳米银线-硝酸银溶液实现喷射，二维移动平台1与溶液喷射协调工作，将抗坏血酸溶液和纳米银线-硝酸银溶液按照预定轨迹先后沉积到织物2的预定位置上，喷射在一起的纳米银线-硝酸银微滴与抗坏血酸微滴发生化学反应，在织物2的表面沉积单质银，与纳米银线共同形成织物传感器。
二维移动平台1作为承载织物的基板，根据规划的路径运动；压电式喷嘴A3和压电式喷嘴B4，分别盛装抗坏血酸溶液和纳米银线-硝酸银溶液，是微滴的发生器。CCD相机6对喷射动态过程进行采集，将采集到的信息传至控制器7，控制器7对微滴的尺寸及沉积形态进行分析，便于调节驱动电源5的参数，有助于修正微滴形态和定位偏差，得到预定的导电线路，为制备织物传感器奠定基础。
本发明的装置及方法，将微滴按需喷射技术与液相还原沉积技术相结合，使溶液微滴按照预定轨迹喷射在织物表面，通过化学反应沉积形成织物传感器，工序少，能耗低，周期短，解决了现有方法制备织物传感器工艺复杂、成本高、柔性差等问题，为织物传感器的制备开辟一条新路径。
Claims (4)
1.一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法，利用一种基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，其结构是，
包括二维移动平台(1)，二维移动平台(1)上表面平铺有待微滴喷射打印的织物(2)，所述二维移动平台(1)侧面设置有CCD相机(6)，二维移动平台(1)上方并排固定设置有压电式喷头A(3)和压电式喷头B(4)，压电式喷头A(3)和压电式喷头B(4)各自通过导线与驱动电源(5)连接，驱动电源(5)、二维移动平台(1)、CCD相机(6)均与控制器(7)连接，
利用上述的基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的装置，其特征在于，本方法按照以下步骤实施：
步骤1：将3±0.1g的抗坏血酸融于10ml的去离子水中，再向去离子水中加入0.4±0.01g的聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀充分溶解；采用慢速滤纸进行第一次过滤，再采用双层慢速滤纸进行第二次过滤，得到用于喷射的抗坏血酸溶液；
步骤2：将5±0.1g的硝酸银融于10ml的去离子水中，待其完全溶解；采用慢速滤纸进行第一次过滤，再采用双层慢性滤纸进行第二次过滤；然后向硝酸银溶液中加入0.2±0.01g长度为10μm、直径为100nm的纳米银线，放置在超声振荡仪中分散30-45分钟，得到分散均匀的纳米银线-硝酸银溶液；
步骤3：用阳离子脂肪酰胺溶液浸泡含棉量为100％的织物5-10分钟，然后用轧车扎压，将其烘干、定型，得到平整的用于打印的织物(2)；
步骤4：将处理好的织物(2)平铺在二维移动平台(1)上，并在压电式喷头A(3)中盛装抗坏血酸溶液，在压电式喷头B(4)中盛装纳米银线-硝酸银溶液；
步骤5：启动控制器(7)及二维移动平台(1)，
首先，二维移动平台(1)按照预定轨迹相对于压电式喷头A(3)移动，同时控制器(7)控制驱动电源(5)驱动压电式喷头A(3)中的抗坏血酸溶液喷出，抗坏血酸微滴按照二维移动平台(1)预设运动轨迹沉积在织物(2)上，抗坏血酸溶液沉积完成后，驱动电源(5)停止工作；
然后，二维移动平台(1)运行回初始位置，重新按照预定轨迹相对于压电式喷头B(4)移动，控制器(7)控制驱动电源(5)驱动压电式喷头B(4)中的纳米银线-硝酸银溶液喷出，二维移动平台(1)重复与抗坏血酸溶液的沉积轨迹，使得抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生化学反应，形成预定轨迹的导电线路；
步骤6：将完成化学反应的织物(2)在室温下静置1±0.1小时，待两种溶液反应完全后，最后利用聚二甲基硅氧烷对沉积好的导电线路进行封装，即成。
2.根据权利要求1所述的基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法，其特征在于：所述的驱动电源(5)可产生两路互不干扰的激励脉冲分别作用于压电式喷头A(3)和压电式喷头B(4)，所述激励脉冲为单极型梯形波，电压幅值为90V-340V，脉冲宽度5μs-40μs，频率1Hz-500Hz。
3.根据权利要求1所述的基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法，其特征在于：所述的压电式喷头A(3)和压电式喷头B(4)结构一致，其中压电式喷头A(3)的结构是，从上到下依次包括玻璃储液腔(8)、圆环式压电陶瓷(9)和玻璃喷嘴(10)，玻璃储液腔(8)与圆环式压电陶瓷(9)和玻璃喷嘴(10)均通过环氧树脂(11)粘合为一体，并且玻璃储液腔(8)与圆环式压电陶瓷(9)和玻璃喷嘴(10)三者连通。
4.根据权利要求1所述的基于微滴按需喷射技术制备织物传感器的方法，其特征在于：所述的慢速滤纸的孔径为1-3μm；双层慢性滤纸的孔径为1-3μm。
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