CN111743529A - 表皮电极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表皮电极及其制作方法。表皮电极的制作方法包括：步骤S110、提供透明聚合物、纳米金属线和石墨烯；步骤S120、将所述透明聚合物制备形成具有空隙的纳米纤维网络结构薄膜；步骤S130、将所述纳米金属线和所述石墨烯制备形成分散液；步骤S140、将所述分散液倾倒至所述纳米纤维网络结构薄膜上，并采用真空抽滤，使得所述纳米金属线和所述石墨烯嵌入所述纳米纤维网络结构薄膜的空隙中，以获得表皮电极。本发明的表皮电极透气、强度高、透明，适合长期贴合在用户皮肤表面，解除了高水平光学传输的情况下的用途限制，并具有较好的耐久性和抗变换性。
Description
技术领域
本发明涉及表皮电极技术领域，具体涉及一种表皮电极及其制作方法。
背景技术
表皮电极是一种柔性可拉伸电极，属于皮肤电子方向。表皮电极可以粘在皮肤表面甚至镶嵌在人体皮肤纹路里，通过与高灵敏监测器件结合可以对人体的多种电生理信号进行实时监测。
表皮电极由于和皮肤的亲和性与粘附性高于其他固态电极，被柔性电子和可穿戴领域的科学家寄予厚望，随着电子皮肤在人体传感和机器接口领域的应用，要求开发高性能的类皮肤电极十分迫切，柔性电子的很多研究也围绕着性能优异的表皮电极展开。
普通的带衬底的柔性电极抑制了气体和液体的渗透性，不仅不适合长期佩戴，而且难以实现与皮肤的紧密粘附。虽然无基底电极可以解决这个问题，但它们的抗变换性和耐久性通常都被牺牲了。此外，相关技术中的表皮电极在皮肤上是不透明、不透气的，这限制了它们在需要高水平光学传输的情况下的用途。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种表皮电极及其制作方法。
为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种表皮电极的制作方法，包括：
步骤S110、提供透明聚合物、纳米金属线和石墨烯；
步骤S120、将所述透明聚合物制备形成具有空隙的纳米纤维网络结构薄膜；
步骤S130、将所述纳米金属线和所述石墨烯制备形成分散液；
步骤S140、将所述分散液倾倒至所述纳米纤维网络结构薄膜上，并采用真空抽滤，使得所述纳米金属线和所述石墨烯嵌入所述纳米纤维网络结构薄膜的空隙中，以获得表皮电极。
可选地，所述透明聚合物包括聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、有机玻璃中的任意一种或其组合。
可选地，所述纳米金属线的直径小于或等于50nm，和/或，
所述纳米金属线的长径比大于或等于500。
可选地，所述纳米金属线采用纳米银线、纳米铜线或纳米金线。
可选地，所述石墨烯采用小于或等于九层的片状石墨烯。
可选地，在步骤S130中，利用有机溶剂或水将所述纳米金属线和所述石墨烯分散制得分散液。
可选地，在所述分散液中，所述纳米金属线与所述石墨烯质量比为1：(0.01～100)。
可选地，在所述表皮电极中，所述纳米金属线与所述石墨烯每平方厘米的质量范围为1mg～100mg。
可选地，
步骤S110具体包括：
配置质量分数为10％～20％的聚酰胺-甲酸溶液，室温搅拌10h～12h，搅拌转速80r/min～100r/min，以获得所述透明聚合物；
步骤S120具体包括：
利用静电纺丝机对所述聚酰胺-甲酸溶液进行纺丝处理，静电纺丝机所加载的的正电压为14KV～18KV，负电压为1KV～3KV；
利用捕收器收集1um～4um厚的纳米纤维网络结构薄膜；
利用剥离框架从所述捕收器上剥离纳米纤维网络结构薄膜；
步骤S130具体包括：
利用乙醇分散所述纳米金属线和石墨烯，以获得所述分散液；其中，所述纳米金属线与所述石墨烯的质量比为1：(1～10)，质量分数均为1％～5％；
步骤S140具体包括：
利用带所述剥离框架的纳米纤维网络结构薄膜作为过滤膜，将纳米金属线和石墨烯的乙醇分散液倒在该过滤膜上，通过吸泵真空过滤，获得表皮电极。
本发明的第二方面，提供了一种表皮电极，所述表皮电极采用前文记载的制作方法制作形成。
本发明的表皮电极及其制作方法。其纳米纤维网络结构薄膜在微观上具有缝隙，可以使得表皮电极透气，适合长期贴合在用户皮肤表面。此外，纳米金属线和石墨烯都具有良好的导电性能和透光性能，可以作为透明电极，解除了他们在高水平光学传输的情况下的用途限制。此外，石墨烯具有良好的机械强度，可以使得表皮电极具有较好的耐久性和抗变换性。最后，采用真空抽滤方法使得电极图形化方便易得，只需将图案镂空图形覆盖于纳米纤维网络结构薄膜上进行真空抽滤即可。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中表皮电极的制作方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1，本发明的第一方面，涉及一种表皮电极的制作方法S100，该制作方法S100具体包括：
S110、提供透明聚合物、纳米金属线和石墨烯。
具体地，在本步骤中，透明聚合物，例如，可以采用聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(尼龙)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、有机玻璃(PMMA中的任意一种或其组合。当然，优选地可以采用聚酰胺或透明的聚酰亚胺。
纳米金属线，例如，可以是纳米银线、纳米铜线或纳米金线等，当然，在本实施例中，优选地选用纳米银线，纳米银线的导电率相对更佳。
石墨烯可以采用单层或多层片状石墨烯构成，优选地采用小于或等于九层的片状石墨烯。石墨烯可以采用任何已知的制作方法制作形成任意形状，例如，可以采用机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、赫默法、化学气相沉积法等工艺方法制备形成石墨烯。
S120、将透明聚合物制备形成具有空隙的纳米纤维网络结构薄膜。
具体地，在本步骤中，例如，可以采用静电纺丝的方式将透明聚合物制备形成具有空隙的纳米纤维网络结构薄膜。此外，除了可以选用静电纺丝的方式制作形成具有空隙的纳米纤维网络结构薄膜以外，还可以采用其他方式制作形成。
步骤S130、将纳米金属线和石墨烯制备形成分散液。
具体地，在本步骤中，例如，可以采用有机溶剂或水等将纳米金属线和石墨烯制备形成分散液。
步骤S140、将分散液倾倒至纳米纤维网络结构薄膜上，并采用真空抽滤，使得纳米金属线和石墨烯嵌入纳米纤维网络结构薄膜的空隙中，以获得表皮电极。
本实施例的表皮电极的制作方法S100，其纳米纤维网络结构薄膜在微观上具有缝隙，可以使得表皮电极透气，适合长期贴合在用户皮肤表面。此外，纳米金属线和石墨烯都具有良好的导电性能和透光性能，可以作为透明电极，解除了他们在高水平光学传输的情况下的用途限制。此外，石墨烯具有良好的机械强度，可以使得表皮电极具有较好的耐久性和抗变换性。最后，采用真空抽滤方法使得电极图形化方便易得，只需将图案镂空图形覆盖于纳米纤维网络结构薄膜上进行真空抽滤即可。
为了使得表皮电极的结构紧凑且并不影响表皮电极的导电性能，纳米金属线的直径优选地小于或等于50nm，纳米金属线的长径比优选地大于或等于500。
为了提高表皮电极的导电性能，在分散液中，纳米金属线与石墨烯质量比优选地可以为1：(0.01～100)。
为了提高表皮电极的导电性能，在表皮电极中，纳米金属线与石墨烯每平方厘米的质量范围优选地为1mg～100mg。
下文将分几个具体实施例对表皮电极的制作方法进行说明：
实施例1：
配置质量分数为10％～20％的聚酰胺-甲酸溶液，室温搅拌10h～12h，搅拌转速80r/min～100r/min，以获得透明聚合物；
利用静电纺丝机对聚酰胺-甲酸溶液进行纺丝处理，静电纺丝机所加载的的正电压为14KV～18KV，负电压为1KV～3KV；
利用捕收器收集3um厚的纳米纤维网络结构薄膜；
利用剥离框架(一般为双面胶带PET框架)从捕收器上剥离纳米纤维网络结构薄膜；
利用乙醇分散纳米银线和石墨烯，以获得分散液；其中，纳米银线与石墨烯的质量比为1：1，质量分数均为1％；
利用带剥离框架的纳米纤维网络结构薄膜作为过滤膜，将纳米银线和石墨烯的乙醇分散液倒在该过滤膜上，通过吸泵真空过滤，室温晾晒即可获得表皮电极，在该表皮电极中，纳米银线和石墨烯每平方厘米约为15mg。若需要创造电路图案，可以在真空过滤过程中，将掩膜(一般为PET薄膜制作形成，掩膜上设置有掩膜图形)覆盖在剥离框架上即可。
在本实施例中，表皮电极在550nm光学透过率为84％，薄层电阻为8.2Ω/sq，500次弯折后电阻无变化。
实施例2：
配置质量分数为15％的聚酰胺-甲酸溶液，室温搅拌12h，搅拌转速100r/min，以获得透明聚合物；
利用静电纺丝机对聚酰胺-甲酸溶液进行纺丝处理，静电纺丝机所加载的的正电压为16KV，负电压为2KV；
利用捕收器收集3um厚的纳米纤维网络结构薄膜；
利用剥离框架从捕收器上剥离纳米纤维网络结构薄膜；
利用乙醇分散纳米银线和石墨烯，以获得分散液；其中，纳米银线与石墨烯的质量比为1：1，质量分数均为1％；
利用带剥离框架的纳米纤维网络结构薄膜作为过滤膜，将纳米银线和石墨烯的乙醇分散液倒在该过滤膜上，通过吸泵真空过滤，室温晾晒即可获得表皮电极，在该表皮电极中，纳米银线和石墨烯每平方厘米约为25mg。若需要创造电路图案，可以在真空过滤过程中，将掩膜(一般为PET薄膜制作形成，掩膜上设置有掩膜图形)覆盖在剥离框架上即可。
在本实施例中，表皮电极在550nm光学透过率为82.5％，薄层电阻为6.3Ω/sq，500次弯折后电阻无变化。
实施例3：
配置质量分数为15％的聚酰胺-甲酸溶液，室温搅拌12h，搅拌转速100r/min，以获得透明聚合物；
利用静电纺丝机对聚酰胺-甲酸溶液进行纺丝处理，静电纺丝机所加载的的正电压为16KV，负电压为2KV；
利用捕收器收集4um厚的纳米纤维网络结构薄膜；
利用剥离框架从捕收器上剥离纳米纤维网络结构薄膜；
利用乙醇分散纳米银线和石墨烯，以获得分散液；其中，纳米银线与石墨烯的质量比为1：1，质量分数均为1％；
利用带剥离框架的纳米纤维网络结构薄膜作为过滤膜，将纳米银线和石墨烯的乙醇分散液倒在该过滤膜上，通过吸泵真空过滤，室温晾晒即可获得表皮电极，在该表皮电极中，纳米银线和石墨烯每平方厘米约为25mg。若需要创造电路图案，可以在真空过滤过程中，将掩膜(一般为PET薄膜制作形成，掩膜上设置有掩膜图形)覆盖在剥离框架上即可。
在本实施例中，表皮电极在550nm光学透过率为80％，薄层电阻为6.2Ω/sq，500次弯折后电阻无变化。
本发明的第二方面，提供了一种表皮电极，该表皮电极可以采用前文记载的制作方法制作形成，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。
本实施例的表皮电极，其纳米纤维网络结构薄膜在微观上具有缝隙，可以使得表皮电极透气，适合长期贴合在用户皮肤表面。此外，纳米金属线和石墨烯都具有良好的导电性能和透光性能，可以作为透明电极，解除了他们在高水平光学传输的情况下的用途限制。此外，石墨烯具有良好的机械强度，可以使得表皮电极具有较好的耐久性和抗变换性。最后，采用真空抽滤方法使得电极图形化方便易得，只需将图案镂空图形覆盖于纳米纤维网络结构薄膜上进行真空抽滤即可。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种表皮电极的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S110、提供透明聚合物、纳米金属线和石墨烯；
步骤S120、将所述透明聚合物制备形成具有空隙的纳米纤维网络结构薄膜；
步骤S130、将所述纳米金属线和所述石墨烯制备形成分散液；
步骤S140、将所述分散液倾倒至所述纳米纤维网络结构薄膜上，并采用真空抽滤，使得所述纳米金属线和所述石墨烯嵌入所述纳米纤维网络结构薄膜的空隙中，以获得表皮电极。
2.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，所述透明聚合物包括聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、有机玻璃中的任意一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，所述纳米金属线的直径小于或等于50nm，和/或，
所述纳米金属线的长径比大于或等于500。
4.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，所述纳米金属线采用纳米银线、纳米铜线或纳米金线。
5.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，所述石墨烯采用小于或等于九层的片状石墨烯。
6.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，在步骤S130中，利用有机溶剂或水将所述纳米金属线和所述石墨烯分散制得分散液。
7.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，在所述分散液中，所述纳米金属线与所述石墨烯质量比为1：(0.01～100)。
8.根据权利要求1所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，在所述表皮电极中，所述纳米金属线与所述石墨烯每平方厘米的质量范围为1mg～100mg。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的表皮电极的制作方法，其特征在于，
步骤S110具体包括：
配置质量分数为10％～20％的聚酰胺-甲酸溶液，室温搅拌10h～12h，搅拌转速80r/min～100r/min，以获得所述透明聚合物；
步骤S120具体包括：
利用静电纺丝机对所述聚酰胺-甲酸溶液进行纺丝处理，静电纺丝机所加载的的正电压为14KV～18KV，负电压为1KV～3KV；
利用捕收器收集1um～4um厚的纳米纤维网络结构薄膜；
利用剥离框架从所述捕收器上剥离纳米纤维网络结构薄膜；
步骤S130具体包括：
利用乙醇分散所述纳米金属线和石墨烯，以获得所述分散液；其中，所述纳米金属线与所述石墨烯的质量比为1：(1～10)，质量分数均为1％～5％；
步骤S140具体包括：
利用带所述剥离框架的纳米纤维网络结构薄膜作为过滤膜，将纳米金属线和石墨烯的乙醇分散液倒在该过滤膜上，通过吸泵真空过滤，获得表皮电极。
10.一种表皮电极，其特征在于，所述表皮电极采用权利要求1至9中任意一项制作方法制作形成。
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