CN113290760B - 基于三浦折叠结构导电弹性体及其应用 - Google Patents

基于三浦折叠结构导电弹性体及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三浦折叠结构导电弹性体及其应用。其中，所述基于三浦折叠结构导电弹性体包括本体，所述本体为导电复合弹性体且具有三浦折叠结构。本发明所述基于三浦折叠结构导电弹性体在拉伸过程中电阻变化较小，确保导电填料之间的粘结强度及更稳定的导电性；当应用于手势感应元件用导电器件时，压模方法可一次成型形成感应部分(平面结构)和导线部分(三浦折叠结构)，同时无需额外的粘接和焊接工艺，排除所有拉伸过程中因连接性差而造成的导线断开等问题。

Description

基于三浦折叠结构导电弹性体及其应用
技术领域
本发明涉及一种导电弹性体，具体地涉及一种基于三浦折叠结构导电弹性体及其应用。
背景技术
导电纳米复合材料弹性体,因其优异的拉伸性能和柔软度,在新一代的电子设备中有着巨大的应用价值。如检测人类运动的皮肤传感器,可穿戴电子产品中的弹性晶体管，柔性机器人，可伸缩的LED显示屏,以及一些监测个人健康的柔性生物医学传感器。以往对可拉伸电子学的延伸研究主要有两个方向，一是对由导电填充材料料和弹性聚合物结合的导电纳米复合材料进行研究，二是将原本坚硬难折的导电材料在弹性基材上形成特定结构以提高其拉伸能力。对于本身导电的纳米复合材料，研究人员主要研究从零维到二维的导电填料，例如：纳米粉末、纳米片以及由银、金、碳制成的纳米管或纳米线。
而各种弹性聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、EcoflexTM硅胶、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸盐水凝胶等则作为基材和导电材料混合，由此赋予复合材料良好的拉伸性能。然而，这些复合导电材料在拉伸过程中往往会导致拉伸性能大幅减弱，导电率降低。其导电率来自于复合材料内部的网状导电填料，内填材料硬度高且影响弹性，在拉伸过程中容易相互分离，增加了电阻。
为了克服这些问题，研究人员还尝试了另一种策略，即在弹性体上方或内部嵌入薄膜或薄膜型坚硬的导电材料。John A.Rogers研究团队发明了一种可以创造出可拉伸的平面外屈曲膜结构的著名方法，通过预拉伸PDMS并在特定位置粘贴半导体材料(即GaAs或Si)，然后释放PDMS衬底后形成屈曲半导体带，类似的三维金属形状的制备方式可以制造出可拉伸的电子导线。在此之后，研究人员使用相同的预拉伸方法，在弹性体表面直接形成弯曲诱导的波浪形结构，帮助碳纳米管纤维和碳纳米管(CNTs)产生相同的屈曲形状。值得一提的是，这种屈曲形态有助于在整个结构变平之前降低导线各点上的拉伸应力。因此，在拉伸复合弹性体时，它在稳定导体电阻方面起着重要的作用。Feng Xu报道的另一种方法是基于银纳米线的可拉伸导体，在第一次拉伸和释放过程后，导电表面出现屈曲褶皱结构。经过前几次拉伸后，阻力变得相对稳定。对于以上所有的屈曲薄膜或薄膜型导电材料使能复合材料，电导率由薄的顶层材料产生，通常在纳米尺度上，而本体基板仍然是绝缘的。这种方法面临可靠性问题，因为在操作过程中如果有尖锐的接触，薄膜可能会破裂。此外，封装兼容性是另一个问题，因为在连接外部电路或其他组件时，粘接或焊接也可能损坏导电薄膜。最后，该方法很难在大格式设备上进行扩展。因此，大规模生产具有稳定导电性和较好的电路系统兼容性的块体导电弹性体仍然具有挑战性。
现有的导电纳米复合弹性体技术有一个巨大的问题，即作为电路内部的互连器向外传输信号时，在外力形变下会产生较大的电阻变化，从而导致整个系统输出信号有不准确性和可靠性问题。而在大多数情况下,平面结构导电纳米复合材料结构弹性体用于应变传感，其输出信号一般通过铜导线传输,这种铜导线一般通过焊接或导电胶水与弹性体相连,然而,软弹性体和硬金属线之间的接触问题常常影响输出信号的准确性。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于三浦折叠结构(Miura-ori)导电弹性体，其在拉伸过程中电阻变化较小，确保导电填料之间的粘结强度及更稳定的导电性；当应用于手势感应元件用导电器件时，压模方法可一次成型形成感应部分(平面结构)和导线部分(三浦折叠结构)，同时无需额外的粘接和焊接工艺，排除所有拉伸过程中因连接性差而造成的导线断开等问题。
本发明的技术目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种基于三浦折叠结构导电弹性体包括本体，包括本体，所述本体为导电复合弹性体且具有三浦折叠结构。
进一步，本发明所述本体通过以下方法制备而成：
S1、将三浦折叠结构的树脂用硅胶进行结构反向模制，以制成两面可互相嵌的阴阳模具；
S2、将预先混匀的纳米导电材料和弹性材料浇注到经步骤S1处理过的模具上按压成型、固化、脱模。
为了进一步提高导电性，在生产出导电弹性体后，还包括如下步骤：S3、对导电弹性体的表面(单面或双面)镀上导电薄膜；优选地，所述导电薄膜厚度为0.005～50微米；优选地，对导电弹性体的顶部沉积50nm的金属和200nm的导电薄膜。作为粘附层的金属钛能有效的防止拉伸过程中金薄膜的脱落。
优选地，本发明所述纳米导电材料包括碳纳米管，碳纳米线，碳纳米丝，炭黑颗粒或银纳米线；优选地，所述弹性材料为硅胶或橡胶；优选地，所述纳米导电材料为多壁碳纳米管，所述弹性材料为硅胶，多壁碳纳米管和硅胶的重量份比为(5.5～8.5)):(91.5～94.5)；优选地，所述步骤S2中硅胶为EcoflexTM硅胶，因为Ecoflex杨氏模量较小，拉伸性能好，且能保证碳纳米管分散的均匀性。
优选地，本发明所述步骤S1中树脂为3D打印，所述树脂的精度要求小于100微米。优选地，本发明所述步骤S1中硅胶的硬度要求大于10kPa，硬度高的材料压模成形的过程中有结构的地方不容易形变，但柔性可以脱膜；优选地，所述硅胶为PDMS硅胶。
进一步，本发明还包括如下步骤：对步骤S1所得阴模具进行表面沉积镀膜处理。优选地，所述表面沉积镀膜处理是采用三氯硅烷在真空条件下进行；优选地，所述三氯硅烷的用量为50微升到100微升。
优选地，本发明步骤S2中固化、脱模的条件是在温度70±5℃下固化30±1分钟后进行脱模。优选地，步骤S2中按压成型后的厚度为0.5±0.1mm。
本发明的另一技术目的是提供一种穿戴设备，其应用有如上所述的基于三浦折叠结构导电弹性体。
进一步，本发明所述穿戴设备包括不限于手表、腕带、智能鞋、智能袜、眼镜、头盔、头带、智能服装、书包、拐杖或配饰。
本发明的另一技术目的是提供一种手势感应元件用导电器件，包括应变传感器与上述导电弹性体连接而成；优选地，所述应变传感器为平面结构；优选地，所述应变传感器与导电弹性体一体成型，从而形成其感应区域和导线区域。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1)、为了减小电阻变化，本发明采用三浦折叠(Miura-ori)结构，该结构可帮助消除了拉伸过程中材料中的应力集中，从而使局部的作用应力变小，以确保导电填料之间的粘结和更稳定的导电性。
2)、当使用导电弹性体作为手势感应元件用导电器件时，压模方法可以形成感应部分(平面结构)和导线部分(三浦折叠结构)，同时无需额外的粘接和焊接工艺，这可以帮助排除所有拉伸过程中因连接性差而造成的导线断开等问题。
3)、本发明利用倒模3D打印结构成型的三浦折叠结构导电弹性体表面有平行的微型褶皱结构。在进行表面金属沉积后，这种表面微观结构，协同宏观上的三浦折叠结构，增强金属与导电弹性体之间的结合。
附图说明
图1表示为具有三浦折叠结构的正负模具制备过程。
图2表示手势感应元件用导电器件的制备过程。
图3表示为本发明所述三浦折叠结构的导电弹性体的实物图。
图4表示本发明所述导电弹性体的电阻变化小的作用原理。
图5表示多壁碳纳米管用量下导电弹性体的电导率和电阻率的变化情况。
图6表示为针对三种不同结构在拉伸情况下电阻变化率情况。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的技术目的、技术方案和优点，现结合附图与具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明所述多壁碳纳米管采用常规市场产品，只要多壁碳纳米管平均长度小于20微米即可，例如可以从碳丰科技公司购买。
实施例1
实施例1所述基于三浦折叠结构导电弹性体的制备过程：
S1、如图1所示，3D打印出具有三浦折叠结构的verowhite树脂(打印精度为16微米)，用PDMS硅胶将三浦折叠结构一次倒模成型(制成阴模具)，然后进行对其表面预处理(利用100微升三氯硅烷对阴模具进行表面沉积镀膜处理(在真空室内放置12小时，使三氯硅烷以蒸汽的形式附着在PDMS表面)，方便后续阳模具进行二次倒模)，然后二次倒模成型制成阳模具，阴阳模具可互相嵌套。
S2、将预先混匀的多壁碳纳米管(碳丰科技的95％高纯度多壁碳纳米管)和EcoflexTM橡胶(美国Smooth-on公司)混合材料(7.41份多壁碳纳米管与92.59份Ecoflex)浇注到制作好的PDMS模具上配合按压成型(厚度为0.5mm)，在70±5℃的环境中固化30分钟后进行脱模，由此便形成了具有三浦折纸结构的导电弹性体。浇注过程中需要均匀覆盖。
实施例2
实施例2所述基于三浦折叠结构导电弹性体的制备过程：
S1、如图1说所示，3D打印出具有三浦折叠结构的verowhite树脂(打印精度为16微米)，用PDMS硅胶将三浦折叠结构一次倒模成型(制成阴模具)，然后进行对其表面预处理(利用50微升三氯硅烷对阴模具进行表面沉积镀膜处理(在真空室内放置12小时，使三氯硅烷以蒸汽的形式附着在PDMS表面)，方便后续阳模具进行二次倒模)，然后二次倒模成型制成阳模具，阴阳模具可互相嵌套。
S2、将预先混匀的多壁碳纳米管和EcoflexTM硅胶混合材料(6.89份多壁碳纳米管与93.11份EcoflexTM硅胶进行混合)浇注到制作好的PDMS模具上配合按压成型(厚度为0.6mm)，在70±5℃的环境中固化30分钟后进行脱模，由此便形成了具有三浦折纸结构的导电弹性体。其中浇注过程中需要均匀覆盖。然后将所得样品的顶部物理气相沉积50nm的金属钛，然后沉积200nm的金属金薄膜(实物图如图3)。
本发明所述导电弹性体的电阻变化小的作用原理如图4所示：在拉伸过程中，应力集中在三浦折纸结构每个单元的尖角位置处，这样便释放了结构其他面位置与线位置处的应力。当在拉伸时，尖角处应变远大其他位置处的应变，电流难以通过尖角位置，却可以从其他位置进行传递，由此来降低拉伸过程中电阻的变化。同时我们采用3D打印技术使得弹性体表面形成微观屈曲结构，利用微观的屈曲结构和三浦折叠的宏观结构共同帮助增强弹性体和沉积的金属层之间的结合。
关于多壁碳纳米管的用量，有专做实验研究，表明其用量如图5的使用范围为适宜。
具有三浦折纸结构的导电弹性体应用
导电弹性体可广泛应用于可穿戴电子设备，应变传感等多个领域。其中所述穿戴设备包括不限于手表、腕带、智能鞋、智能袜、眼镜、头盔、头带、智能服装、书包、拐杖或配饰。
将实施例2所得基于三浦折叠结构导电弹性体应用于手势感应元件用导电器件，具体方法如图2所示：将带有应变传感器的平面结构与实施例2步骤S2所得三浦折叠结构一体成型，从而形成其感应区域和导线区域。
稳定电阻效果测试
为了进一步说明本发明的技术效果，我们对实施例2所述基于三浦折叠结构的导电弹性体与传统的波浪形导电弹性体和没有结构辅助的导电弹性体(平面结构)进行了拉伸过程中电阻稳定性测试对比。
具体测试条件为：平面单方向拉伸法，通过步进电机控制双光轴滚珠丝杆滑台单向拉伸，样品从40毫米拉伸至60毫米长，在拉伸过程中同时测量电阻的变化。其中用导电银胶将铜导线和样品两端链接以便于电阻的读取。本实验中，我们同时对平面结构，波浪结构(x和y方向，如图6所示)和三浦折叠结构(x和y方向，如图6所示)进行了对比拉伸测试。测试结果为：拉伸应变至50％时，三浦折叠结构样品电阻仅变化5.73％。而传统的波浪形导电弹性体和没有结构辅助的导电弹性体(平面结构)，在拉伸50％应变后，电阻分别变化了24.6％和54.8％。由此说明三浦折叠结构在材料拉伸过程中具有稳定电阻作用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，包括本体，所述本体为导电复合弹性体且具有三浦折叠结构，所述本体通过以下方法制备而成：
S1、将三浦折叠结构的树脂用硅胶进行结构反向模制，以制成两面可互相嵌的阴阳模具；
S2、将预先混匀的纳米导电材料和弹性材料的混合材料浇注到经步骤S1处理过的模具上按压成型、固化、脱模；所述固化、脱模的条件是在温度70±5℃下固化30±1分钟后进行脱模； S3、对导电弹性体的表面镀上导电薄膜；所述纳米导电材料为多壁碳纳米管，所述弹性材料为硅胶，多壁碳纳米管和硅胶的重量份比为 (5.5~8.5)份 : ( 91.5~94.5)份。
2.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述导电薄膜厚度为0.005~50微米。
3.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，对导电弹性体的顶部沉积50nm的金属和200nm的导电薄膜。
4.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述步骤S2中硅胶为EcoflexTM硅胶。
5.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述步骤S1中树脂为3D打印，所述树脂的精度要求小于100微米。
6.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述步骤S1中硅胶的硬度要求大于10kPa。
7.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述步骤S1硅胶为PDMS硅胶。
8.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，对步骤S1所得阴模具进行表面沉积镀膜处理。
9.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述表面沉积镀膜处理是采用三氯硅烷在真空条件下进行。
10.根据权利要求1所述基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，所述三氯硅烷的用量为50微升到100微升。
11. 根据权利要求1所述的基于三浦折叠结构导电弹性体，其特征在于，步骤S2中按压成型后的厚度为0.5±0.1 mm。
12.一种穿戴设备，其特征在于，其应用有如权利要求1~11任意一项所述基于三浦折叠结构导电弹性体。
13.根据权利要求12所述的穿戴设备，其特征在于，所述穿戴设备包括手表、腕带、智能鞋、智能袜、眼镜、头盔、头带、智能服装、书包、拐杖或配饰。
14.一种手势感应元件用导电器件，其特征在于，包括应变传感器与权利要求1~11任意一项所述基于三浦折叠结构导电弹性体连接而成。
15.根据权利要求14所述的手势感应元件用导电器件，其特征在于，所述应变传感器为平面结构。
16.根据权利要求14所述的手势感应元件用导电器件，其特征在于，所述应变传感器与导电弹性体一体成型。
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