CN111533948B - 一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法，属于材料科学与工程技术和柔性电子领域。有机力学传感元件由孔隙率高、密度低的三维柔性材料和具有导电性的有机分子导体复合构成，柔性材料可选择三聚氰胺海绵(MF)、聚氨酯海绵、聚醚发泡海绵以及橡胶海绵等，有机分子导体包括有(TMTSF)2PF6、四硫富瓦烯‑四氰基喹二甲烷(TTF–TCNQ)以及EDT‑DSDTFVO系等数十种。本方法制备的传感元件信号具有一定的柔性韧性、信号变化范围大，适应性强、可应用范围广、可多次重复应用，利用有机分子导体也使得元件稳定性有进一步的提升。并且，本发明方法是在温和条件下进行，具有简单易行、效率高等优势。
Description
(2)技术领域
本发明涉及一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法，属于材料科学与工程技术和柔性电子领域。
(3)背景技术
目前，通过在可穿戴电子设备，机器人技术，电子皮肤，人机接口和可植入电子设备中生物集成电子设备的普及，电子技术正在与生物学迅速融合，有关这些新领域的新型技术成为当前的研究热点。通过有源力学传感矩阵阵列进行电信号的传输是电子皮肤、机器学习等技术接受外界信号的重要方式，未来应用前景十分广泛，此类问题急需深入研究。以电子皮肤应用为例，受生物特性的启发，结构、材料的研究是为了进一步提高灵敏度和与人体的相容性。机械刺激对电信号的调制已成为电子皮肤(e-skin)的代表性功能，可以模仿了人类皮肤的感觉功能。有源矩阵阵列传感器可提供高质量的传感信号，并减少了各个像素之间的串扰。在这种情况下，每个像素都由与连接的传感器组成。为了克服刚性和柔性组件之间的机械失配，传感器须具有一定的柔性韧性，因而与应变相关的电行为的柔性材料是极具潜力的。我们可以通过控制导电分子的掺入质量来优化应变灵敏度，与结构之间的局部距离的压缩和释放过程中的有效电荷传输高度相关。
当前，传感器领域的研究热点在于四点：第一点是使传感器元件柔性与韧性兼备，且具有一定的透明度，能适应多种使用情况；第二点是使传感器和传感元件可重复使用、具有较高的稳定性，包括抗氧化性能、弹性恢复能力等方面；第三点是使传感元件具有较为广阔的适用范围，能满足在不同温湿度、气压等外界条件下使用；第四点是工业化大规模生产，降低生产成本、生产难度。而由于有机分子导体在超导体方面的广泛研究，且自身稳定性高，所以使用有机分子导体制备的有机力学传感元件有望拓展其应用范围和适用条件。
分子导体又称低维导体或分子导电体，种类十分丰富，易获取，质量轻，易修饰且柔韧性好，目前已经发展成为一个成熟的体系。与三维金属导体和二维导体石墨不同，电流只能沿分子链的方向传导，其导电行为有明显的方向性，具有一维或准一维的导电行为。有机分子导体可以认为是一种电荷转移复合物，以本专利使用的有机分子导体TTF–TCNQ为例，施主分子TTF的最高占据分子轨道(HOMO)中的电子转移到受主分子TCNQ的最低未占据分子轨道(LUMO)，在从室温到54K的宽温度范围内显示出金属电导，具有高载流子密度，是一种较为理想的制备传感元件的材料。
(4)发明内容
1、本发明的目标
本发明的目的是提出一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法，利用真空环境简单易行、有效地使该新型有机分子导体与柔性材料复合，制备多孔三维有机力学传感元件，应用于有源传感矩阵阵列，从而开拓柔性力学传感器件的应用范围和条件，促进力学传感领域和相关科研应用领域发展。
2、本技术的发明要点
本发明要点如下：
(1)选取合适的孔隙率高的柔性材料，如三聚氰胺海绵(MF)、聚氨酯海绵、聚醚发泡海绵以及橡胶海绵，这些柔性材料有多种密度可以选择，不同种类海绵和不同密度海绵柔性也有所不同，在物理性质上由杨氏模量直接体现。
(2)以聚乳酸(PLA)为原料，通过3D打印技术打印一种规格模具0.7cm×0.7cm×0.5cm(模具A)。
(3)将(1)中海绵按照(2)中模具A裁剪若干份，所得0.7cm×0.7cm×0.5cm规格的三聚氰胺海绵称为原料A、聚氨酯海绵称为原料B、聚醚发泡海绵称为原料C以及橡胶海绵称为原料D。
(4)称取一定量有机分子导体于烧杯中，再根据比例加入一定浓度的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)溶液，超声搅拌均匀后放入(3)中原料A、B、C或D若干个。分子导体质量可选择为PVB溶液质量的1％、3％、5％、7％和9％，PVB酒精溶液可选择1wt％和2wt％PVB，有机分子导体使用的是四硫富瓦烯-四氰基喹二甲烷(TTF–TCNQ)、(TMTSF)2PF6以及EDT-DSDTFVO等。
(5)将上述整体抽真空，当压强下降到1000Pa时，即可停止、通气，待压强恢复到大气压强时，将海绵取出，放入培养皿中送入25℃烘箱中干燥，待其完全干燥后即可取出，即为多孔三维有机力学传感元件。
(5)本发明的附图
图1是本发明方法中TTF–TCNQ分子的扫描透射电子显微镜图(SEM)。
图2是本发明方法中三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的力学传感元件扫描透射电子显微镜图(SEM)。
(6)本发明实施例
以下介绍本发明方法的实施例：
实施例1
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例2
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 240mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例3
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 400mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例4
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，加入10ml、2wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例5
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 240mg于烧杯，加入10ml、2wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例6
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 400mg于烧杯，加入10ml、2wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例7
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 720mg于烧杯，加入10ml、2wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例8
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，不加入PVB溶液，直接放入原料A，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例9
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 240mg于烧杯，不加入PVB溶液，直接放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例10
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 400mg于烧杯，不加入PVB溶液，直接放入原料A，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例11
三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，不加入PVB溶液，直接放入原料A，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例12
聚氨酯海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料B，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得聚氨酯海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例13
聚醚发泡海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料C，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得聚醚发泡海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例14
橡胶海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取TTF–TCNQ 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料D，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得橡胶海绵与TTF–TCNQ复合的有机力学传感元件。
实施例15
三聚氰胺海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取(TMTSF)2PF6 80mg于烧杯，不加入PVB溶液，直接放入原料A，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件。
实施例16
聚氨酯海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取(TMTSF)2PF6 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料B，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得聚氨酯海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件。
实施例17
聚醚发泡海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取(TMTSF)2PF6 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料C，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得聚醚发泡海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件。
实施例18
橡胶海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取(TMTSF)2PF6 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料D，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得橡胶海绵与(TMTSF)2PF6复合的有机力学传感元件。
实施例19
三聚氰胺海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取EDT-DSDTFVO 80mg于烧杯，不加入PVB溶液，直接放入原料A，超声搅拌均匀后放入原料A，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得三聚氰胺海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件。
实施例20
聚氨酯海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取EDT-DSDTFVO 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料B，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得聚氨酯海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件。
实施例21
聚醚发泡海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取EDT-DSDTFVO 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料C，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得聚醚发泡海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件。
实施例22
橡胶海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件制备。
首先，称取EDT-DSDTFVO 80mg于烧杯，加入10ml、1wt％的PVB溶液，超声搅拌均匀后放入原料D，再将烧杯放入冻干机抽真空至1000Pa以下，然后取出海绵放于培养皿送至25℃烘箱干燥，即可获得橡胶海绵与EDT-DSDTFVO复合的有机力学传感元件。
Claims (1)
1.一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)选取合适的孔隙率高的柔性材料，三聚氰胺海绵(MF)、聚氨酯海绵、聚醚发泡海绵以及橡胶海绵，不同种类海绵和不同密度海绵柔性有所不同，在物理性质上由杨氏模量直接体现；
(2)以聚乳酸(PLA)为原料，通过3D打印技术打印一种规格模具0.7cm×0.7cm×0.5cm；
(3)将(1)中海绵按照(2)中模具A裁剪若干份，所得0.7cm×0.7cm×0.5cm规格的三聚氰胺海绵称为原料A、聚氨酯海绵称为原料B、聚醚发泡海绵称为原料C以及橡胶海绵称为原料D；
(4)称取一定量有机分子导体于烧杯中，再根据比例加入一定浓度的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)酒精溶液，超声搅拌均匀后放入(3)中原料A、B、C或D若干个，分子导体质量选择为PVB酒精溶液质量的1％、3％、5％、7％和9％，PVB酒精溶液选择1wt％和2wt％PVB，有机分子导体使用的是四硫富瓦烯-四氰基喹二甲烷(TTF–TCNQ)、(TMTSF)2PF6以及EDT-DSDTFVO；
(5)将上述整体抽真空，当压强下降到1000Pa时，即停止、通气，待压强恢复到大气压强时，将海绵取出，放入培养皿中送入25℃烘箱中干燥，待其完全干燥后取出，即为多孔三维有机力学传感元件。
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