CN111986833A - 一种仿生液态离子导体及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生液态离子导体，通过把具有连续成形性的溶液作为导体用于多种电子器件的设计。本发明的液态离子导体具有高粘度、高导电率、透明性好、可连续成形、价格低廉、制备过程简单等特点，可用于制备具有连续流动导体的电子器件，延迟开关器件，柔性图案化电子器件等，突破了现有可用于制备柔性器件的液态金属、离子液体等液态导体的制备过程复杂，价格昂贵、透明性不好等缺点，为电子器件的设计制备提供了更多的材料选择和设计思路，并将拓展柔性电子器件的应用领域。

Description

一种仿生液态离子导体及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及柔性电子器件技术领域，尤其涉及一种仿生液态离子导体及其制备方法和应用。
背景技术
近些年来，随着柔性软物质材料日益增长的应用，以及柔性电子器件在医疗、传感、柔性机器人、人造假肢、可穿戴设备等诸多领域中的持续科研突破和展现的重要应用，柔性电子器件得到了前所未有的关注。柔性导体是柔性器件的核心成分，目前科研人员已经开发了多种柔性导体，包括粘附在柔性基材上的金属或半导体薄膜、导电聚合物、导电弹性体、水凝胶等固态导体，和封装在柔性导管中的液态金属、离子液体等液态导体。与固态导体相比，液态导体具备一些独特的优势，如本征的可流动性和自修复性能。但是目前液态金属和离子液体的制备过程复杂，使其价格昂贵，且材质不透明，限制了其在柔性器件中的发展及应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种仿生液态离子导体及其制备方法和应用。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种仿生液态离子导体，所述仿生液态离子导体的组分包括生物大分子、无机盐和溶剂，其中所述生物大分子的占比为质量分数0.5～5％，所述无机盐的浓度为0.5～5mol/L；所述生物大分子的原料包括蛋清粉、山药粉、秋葵干粉中的一种。无机盐、生物大分子的浓度及溶剂的比例在一定范围之内以保证所制备的液态离子导体具有高粘度、高导电率和可连续成形等特征。
可选的，所述无机盐包括锂盐、钠盐和钾盐中的至少一种。无机盐具有高导电率的特征且不会与生物大分子发生化学反应。
可选的，所述溶剂包括水和甘油的混合溶剂，其中水和甘油的体积比为10:0～5:5。
可选的，所述仿生液态离子导体的粘度为0.4～1.5Pa·s，电导率为3～20S/m。
可选的，向溶剂中加入无机盐搅拌至无机盐溶解，然后边搅拌边分批加入生物大分子的原料，搅拌4～12小时至形成均一液体。
上述仿生液态离子导体在电子器件中的应用。
可选的，使所述仿生液态离子导体形成循环流动的连续液柱，使所述连续液柱作为电路的一部分，形成基于循环流动液态离子导体的电子器件。
可选的，将所述仿生液态离子导体装入管道中，管道一端通过蠕动泵连通储液池，另一端连接出液装置，将所述出液装置设于储液池上方，开启蠕动泵调节流量为10～100mL/min，于出液装置下端至储液池之间形成所述连续液柱；将所述连续液柱的至少一段的两端接入所述电路。连续液柱通过电极接入电路，连接的电极可以为铜电极、铂电极、银/氯化银电极、碳素电极中的一种。
可选的，提供柔性绝缘基板，所述柔性绝缘基板设有储液区和与储液区连通的微通道，使所述微通道作为电路的一部分，将所述仿生液态离子导体注入储液区，通过按压储液区使所述仿生液态离子导体进入微通道中并导通电路，形成延迟开关器件。
可选的，将所述仿生液态离子导体涂覆于柔性绝缘基材上并作为电路的一部分，形成柔性图案化电子器件。
上述应用中，电源所施加的电压可以是直流电压或交流电压。
本发明的有益效果为：
1)本发明所制备的仿生液态离子导体具有高粘度、高导电性、高透明性、可连续流动、制备过程简单、价格低廉等特点，突破了现有柔性电子器件中常用的液态金属、离子液体等液态导体的制备过程复杂、价格昂贵、透明性差等缺点。与电解质水溶液相比，仿生液态离子导体不仅具有优异的稳定性，而且也具有较高的粘度，可连续稳定成形。
2)本发明基于仿生液态离子导体的流动特性，设计了一种循环流动的电子器件，该电子器件中的导电元件即液态离子导体能够循环使用。
3)本发明基于仿生液态离子导体的流动特性，设计了一种延迟开关的电子器件，可用以检测储液池处的形变量和动态离子导体的位置。
4)本发明基于仿生液态离子导体的高粘度特性，设计了一种柔性图案化电子器件，电路图案可任意设计，具有良好的灵活性。区别于电解质水溶液在亲水的多孔膜基底上的快速且大面积扩散而引起的无法精确直写，仿生液态离子导体可以形成稳定的电路图案。
附图说明
图1为实施例1-7的仿生液态离子导体的制备过程示意图；
图2为实施例2的仿生液态离子导体形成连续液柱的示意图及试验结果图；
图3为实施例1-7的仿生液态离子导体导电的原理示意图；
图4为实施例8和对比例2的基于循环流动液态离子导体的电子器件的结构示意图及试验结果；
图5为实施例9的延迟开关器件的结构示意图；
图6为实施例10的柔性图案化电子器件的试验测试结果；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
实施例1-7
一种仿生液态离子导体，组成为蛋清粉、KCl、甘油和超纯水，其中作为溶剂的甘油与超纯水的体积比、蛋清粉质量分数、KCl浓度见下表。参考图1，其制备方法为：在烧杯中加入甘油和超纯水混合均匀后，加入KCl充分搅拌，再分批加入蛋清粉，搅拌8h。得到的仿生液态离子导体的粘度、电导率见下表。
Figure RE-GDA0002701755950000031
Figure RE-GDA0002701755950000041
参考图2，在液态离子导体中，由于蛋清粉内含有蛋白质大分子，而大分子之间会缠绕且由于大量酰胺键的存在形成氢键，使液态离子导体具有高粘度，保证液体流动性的同时可以能够连续成形。参考图3，当在液态离子导体两端连接电极并施加电压时，大量存在的阴阳离子在电场作用下发生定向运动，使液态离子导体具有高导电率。
在本发明中，液态离子导体的成形性与其粘度有关，即粘度越高，液态离子导体的连续成形性越好。利用去离子水-甘油的混合溶剂溶解无机盐和生物大分子，其中甘油的加入使液态离子导体具有较低的挥发性，与无甘油的液态离子导体相比，加入甘油会大大提高液态离子导体的稳定性。仿生液态离子导体的导电率可以通过甘油的浓度、无机盐的浓度等进行调控。仿生液态离子导体的导电率随着甘油浓度的增加而降低，而随着无机盐的浓度的增加而增加，而仿生液态离子导体的粘度随甘油的浓度和无机盐的浓度的变化不明显。
实施例8
一种基于循环流动液态离子导体的电子器件，参考图4，将实施例2的仿生液态离子导体装入硅胶管道11中，硅胶管道11的一端连接注射针头12作为出液装置，另一端通过蠕动泵13连通储液池14。将硅胶管道11与注射针头12垂直固定于储液池14的上方。将三个LED灯15和一个铂电极16等距离地固定于注射针头12的下方。三个LED灯15通过并联形式连接，利用双头鳄鱼夹线将LED灯15与铂电极16分别与交流电源17的零线和火线相连，形成闭合电路。开启蠕动泵，调节流量为15mL/min，使液态离子导体通过硅胶管道 11及注射针头12，在针头12下端形成稳定的连续液柱18。打开交流电源17，设置峰峰值电压，观察LED灯15的亮度，参考图4中的A部分，图中可见峰值电压分别为15Vpp、 10Vpp和7Vpp时的LED灯的状态。
对比例2
采用实施例8的结构，硅胶管道11中加入电解质溶液(2mol/L的KCl水溶液，与实施例8的差别在于不添加蛋清粉)，在蠕动泵的流量在100mL/min以下时，只能形成水滴，无法形成连续液柱，因此无法点亮全部的LED灯15(参考图4中的B部分)。
实施例9
一种延迟开关器件，参考图5，通过湿法刻蚀技术、软刻蚀等技术在PDMS底板21上制作储液区22和与储液区22连通的微通道23，在另一片未完全固化的PDMS盖板24表面等距离固定6根铜丝25(铜丝的顶端平齐)作为电极，盖板24与底板21盖合，并放置在温度为60℃的加热板上加热30min，使PDMS充分固化。利用注射器将实施例2的仿生液态离子导体26注入储液区22中并超过第1根铜丝(连接直流电源的正极)的位置，用502 胶水封闭注射口。将第2，3，4，5和6根铜丝之间连接电流测试装置，并与直流电源的负极相连。用直流电源施加1V电压，将手指按压在圆形通道上，按压储液区22至变形，使液态离子导体在微通道23中流动，连接对应的铜丝，并观察对应电流表的数据变化，表征对应电路的开关行为。
此外，柔性绝缘基板除了PDMS之外，还可以是VHB、橡胶、Ecoflex弹性体材料等。基于相似的原理，还可以应用于构筑应力检测、压力检测、人体行为监测等电子器件。
实施例10
一种柔性图案化电子器件，参考图6，将实施例2的仿生液态离子导体按照一定的连续图案写在白纸上作为电路的一部分，在电路中接入指示灯，确保不形成短路。随后在液态离子导体形成的电路图案31两端夹上双头鳄鱼夹线，与交流电源的零线和火线连接。打开交流电源施加电压，观察指示灯的状态，图中为峰值电压为8Vpp时的LED灯的状态。
此外，柔性绝缘基材不仅限于白纸，还可采用尼龙多孔膜、聚四氟乙烯多孔膜等多种高分子膜材料，且电路图案可任意设计。
基于与蛋清粉溶液相似的原理，山药粉、秋葵干粉为原料和无机盐溶液所形成的秋葵粘液、山药粘液等，由于其中存在多种蛋白或多糖等成分，由于其分子链之间互相缠绕并存在氢键作用等，具有较高的粘度，可以形成一定连续的形状，利用蛋白分子或多糖分子链之间的相互缠绕和氢键作用赋予溶液高粘度性质，通过无机盐解离的自由离子在电场作用下的定向传输实现电信号的传输，并利用其流动性和可连续成形等特点实现多种电子器件的构筑同样可以实现。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种仿生液态离子导体及其制备方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生液态离子导体，其特征在于：所述仿生液态离子导体的组分包括生物大分子、无机盐和溶剂，其中所述生物大分子的占比为质量分数0.5～5％，所述无机盐的浓度为0.5～5mol/L；所述生物大分子的原料包括蛋清粉、山药粉、秋葵干粉中的一种。
2.根据权利要求1所述的仿生液态离子导体，其特征在于：所述无机盐包括锂盐、钠盐和钾盐中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的仿生液态离子导体，其特征在于：所述溶剂包括水和甘油的混合溶剂，其中水和甘油的体积比为10:0～5:5。
4.根据权利要求1所述的仿生液态离子导体，其特征在于：所述仿生液态离子导体的粘度为0.4～1.5Pa·s，电导率为3～20S/m。
5.权利要求1～4任一项所述的仿生液态离子导体的制备方法，其特征在于：向溶剂中加入无机盐搅拌至无机盐溶解，然后边搅拌边分批加入生物大分子的原料，搅拌4～12小时至形成均一液体。
6.权利要求1～4任一项所述的仿生液态离子导体在电子器件中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：使所述仿生液态离子导体形成循环流动的连续液柱，使所述连续液柱作为电路的一部分，形成基于循环流动液态离子导体的电子器件。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：将所述仿生液态离子导体装入管道中，管道一端通过蠕动泵连通储液池，另一端连接出液装置，将所述出液装置设于储液池上方，开启蠕动泵调节流量为10～100mL/min，于出液装置下端至储液池之间形成所述连续液柱；将所述连续液柱的至少一段的两端接入所述电路。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：提供柔性绝缘基板，所述柔性绝缘基板设有储液区和与储液区连通的微通道，使所述微通道作为电路的一部分，将所述仿生液态离子导体注入储液区，通过按压储液区使所述仿生液态离子导体进入微通道中并导通电路，形成延迟开关器件。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：将所述仿生液态离子导体涂覆于柔性绝缘基材上并作为电路的一部分，形成柔性图案化电子器件。
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