CN113916416B - 一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法。所述电子皮肤包括：摩擦起电层、电极层和柔性基底，从上到下依次固定排列；所述摩擦起电层与柔性基底均为可拉伸纳米纤维膜，所述电极为可拉伸纳米纤维导体，与地电极相连接；该电子皮肤内部大量的毛细通道连接成渗透通道，使电子皮肤具备优良的透气性；该电子皮肤基于摩擦静电感应效应，通过外接物体与摩擦层的接触分离产生传感信号，同时，该电子皮肤大的内部阻抗以及在拉伸过程中稳定的开压使其能够独立于机械应变的干扰准确传感法向压力，具有本征应变非敏感特性；该电子皮肤具有高舒适性、高稳定性、自驱动等优点，并且材料体系简单、成本低廉，具有重要的实用前景与商业价值。

Description

一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性电子器件领域，具体涉及一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法。
背景技术
皮肤作为人体最大的器官，它不仅具有保护、分泌、呼吸等基本功能，更是人类感知、交互、沟通的重要桥梁。受人体皮肤启发，通过模拟其物理属性与功能，仿生电子皮肤充满弹性与张力，可以附着于物体表面检测并量化多种机械刺激，在智能机器人与假肢、个性化医疗和人工智能等领域展现出了巨大的应用前景。目前，电子皮肤的研制已经取得了显著的进展，如高分辨率、高鲁棒性、生物相容性、多功能性等。但是，人类对于电子皮肤穿戴性与特殊电气性能的需求推动了其进一步发展，特别是未来的电子皮肤需要将高渗透性与抗应变干扰能力考虑其中。
目前，大多数仿生电子皮肤的制备是采用聚合物薄膜作为可拉伸基底与电极材料，其渗透性差，长期佩戴会引起不适，甚至会引发炎症和瘙痒。其次，电子皮肤在机械应变状态下准确传感压力刺激仍然是一个巨大挑战，因为机械应变不可避免地会引起传感单元的几何构型与物理特性的改变，这将引起电子皮肤性能的波动。因此，发展高渗透性应变非敏感型电子皮肤对于其未来实际应用是至关重要的。
发明内容
本发明提供了一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤及其制备方法，基于摩擦静电感应效应，全纤维结构的电子皮肤实现了透气性、应变非敏感性与自供电性的结合，解决了现有的可穿戴电子皮肤舒适性差、机械应变诱导的传感精度低等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，包括上中下三层纤维膜，分别是摩擦起电层、电极层和柔性基底，从上到下依次固定排列，其中，
所述摩擦起电层与柔性基底均为可拉伸纤维弹性体；
所述电极为可拉伸纤维导体，与地电极或其它导体相连接。
优选的，所述可拉伸纤维弹性体包括聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、天然橡胶、氟橡胶、纤维素中的一种或几种可用于静电纺丝制备纤维的高分子材料，此类材料成本低廉，可扩展性高，适用于通过静电纺丝工艺大面积制备纤维薄膜。
优选的，所述电极层为碳纤维或掺杂碳纳米管、石墨烯、氮化物或碳氮化合物的具有导电功能的复合纤维导体，低维材料与可拉伸纤维弹性体存在较大的尺寸差异，这种尺寸差异有效避免了可拉伸导体制备过程中的模量不匹配问题。
优选的，所述摩擦起电层用纤维弹性体的厚度为10-90μm，纤维弹性体中纤维直径为100-1000nm。
优选的，所述柔性基底用纤维弹性体的厚度为20-60μm，纤维弹性体中纤维直径为100-1000nm。
优选的，所述复合纤维导体的厚度为10-90μm，复合纤维导体中纤维直径为600-1000nm。
优选的，所述电子皮肤为全纤维结构，器件内部的微纳米多孔结构交联互通形成大量的毛细通道，使其具备优良的渗透性，用于人体皮肤与外界环境之间的热湿交换。
优选的，所述电子皮肤的工作原理是基于摩擦静电感应效应，该工作原理使电子皮肤具有较高的内部阻抗，器件在机械应变下的电极电阻变化相较于其较大的内部阻抗可忽略不计。
优选的，所述应变非敏感为电子皮肤能够独立于机械应变的干扰准确传感法向压力。
如上所述一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述电子皮肤的成型工艺为热压成型，其中成型压力为6-10MPa，温度为40-70℃，加载时间为30-60s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出了一种全纤维结构的高渗透性应变非敏感型电子皮肤，优化了电子皮肤的可穿戴性，丰富了电子皮肤的功能性。该电子皮肤基于摩擦静电感应效应，可将外部机械刺激转化为电信号输出。该电子皮肤结构简单，便于制作，功能多样，应用前景广泛。
2.本发明通过同质网络结构设计有效解决了各功能层之间的模量失配问题，使电子皮肤具备优良的柔韧性、高的延伸率和理想的共形特性。
3.该电子皮肤内部大量的微纳米多孔结构交联互通形成大量的渗透通道，用于人体皮肤与外界环境之间的热湿交换，有效提升了电子皮肤的穿戴舒适性。
4.该电子皮肤由于高的内部阻抗以及稳定的开压输出，使其具备有本征应变非敏感特性，能够独立于机械应变的干扰准确传感法向压力，大大提升了电子皮肤在应变状态下的传感精度。
附图说明
图1为聚氨酯纤维弹性体膜扫描电镜图片；
图2为碳纳米管/聚氨酯纤维导体膜扫描电镜图片；
图3为银纳米线/聚氨酯纤维导体膜扫描电镜图片；
图4为高渗透性应变非敏感型电子皮肤示意图；
图5为高渗透性应变非敏感型电子皮肤工作原理示意图
图6a为制备的高渗透性应变非敏感型电子皮肤摩擦层、电极与器件的透气性，图6b为制备的高渗透性应变非敏感型电子皮肤渗透原理示意图；
图7为制备的高渗透性应变非敏感型电子皮肤的传感性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
聚氨酯纤维弹性体膜制备过程如下：
(1)聚氨酯颗粒为溶质，N-N二甲基甲酰胺与四氢呋喃为溶剂，制备均匀分散的聚氨酯溶液，其中聚氨酯的质量分数为15％-20％，N-N二甲基甲酰胺与丙酮的质量比为2:3。前驱体在磁力搅拌器上搅拌溶解，设置转速为500-1000rpm，加热温度为40-80℃，搅拌时间为5-10小时，搅拌溶解后，将透明胶体静置2h除去胶体内部的气泡，最后得到均匀分散的聚氨酯溶液。
(2)以静电纺丝工艺为材料加工制备手段制备聚氨酯纤维弹性体膜。静电纺丝过程中控制环境温度为20-30℃，环境湿度为15-35％RH。其中工艺参数设置为：电压18-24KV，给料量为0.1-0.5ml/h，接收滚筒转速为200-400rpm喷丝头与接收板之间的距离为15-18cm，纺丝时间可根据实际需求进行调整。静电纺丝结束后，将通过静电纺丝得到的聚氨酯放置于真空干燥箱中真空干燥3小时以上，得到聚氨酯纤维弹性体膜。
图1为聚氨酯纤维弹性体膜扫描电镜图片，其中聚氨酯纤维通过交叉堆叠的方式构成纤维薄膜，纤维直径为800-1000μm，纤维粗细均匀，连续性较好，薄膜表面无团聚现象。
碳纳米管/聚氨酯纤维导体的制备过程如下：
(1)聚氨酯纤维弹性体膜裁剪为10×10cm的尺寸后，在去离子水中从铝箔上剥离并转移至聚四氟乙烯平板表面，去离子水可有效降低聚氨酯纤维与铝箔之间的界面结合，避免了强机械剥离对聚氨酯纤维的损坏，聚四氟乙烯为低表面能材料，便于材料的烘干后无损剥离。
(2)取10ml碳纳米管水性分散液，将碳纳米管水性分散液均匀喷涂于聚氨酯纤维表面。喷涂碳纳米管的纤维弹性体薄膜放置于真空干燥箱中真空干燥3小时以上，干燥温度为50-80℃。干燥之后，将碳纳米管/聚氨酯纤维导体从聚四氟乙烯平板表面完整剥离。
图2为碳纳米管/聚氨酯纤维导体的扫描电镜图片，碳纳米管附着于聚氨酯纤维表面形成空间导电网络，使碳纳米管/聚氨酯纤维导体在复杂的形变状态下依然维持电路导通。
银纳米线/聚氨酯纤维导体的制备过程如下：
(1)聚氨酯纤维弹性体膜裁剪为10×10cm的尺寸后，在去离子水中从铝箔上剥离并转移至聚四氟乙烯平板表面，去离子水可有效降低聚氨酯纤维与铝箔之间的界面结合，避免了强机械剥离对聚氨酯纤维的损坏，聚四氟乙烯为低表面能材料，便于材料的烘干后无损剥离。
(2)取200μl超长银纳米线溶液与2ml无水乙醇混合，制备银纳米线均匀分散液。将银纳米线分散液均匀喷涂于聚氨酯纤维表面。将喷涂银纳米线的纤维弹性体薄膜放置于真空干燥箱中真空干燥3小时以上，干燥温度为50-80℃。干燥之后，将银纳米线/聚氨酯纤维导体从聚四氟乙烯平板表面完整剥离。
图3为银纳米线/聚氨酯纤维导体的扫描电镜图片，银纳米线管附着于聚氨酯纤维表面形成导电网络。
高渗透性应变非敏感型电子皮肤的制备过程如下：
(1)称量2.0g聚氨酯颗粒、3.2g二甲基甲酰胺、4.8g四氢呋喃于玻璃瓶中，放入磁子搅拌溶解，溶解过程中转速为600rpm，加热温度为60℃，磁力搅拌时间为6h，搅拌结束后将聚氨酯溶液静置2h去除内部气泡。
(2)通过静电纺丝工艺大面积制备聚氨酯纤维弹性体薄膜，在静电纺丝过程中，设置电纺电压为18kV，给料量为0.5ml/h，接收滚筒转速为200rpm，静电纺丝时间为10h。静电纺丝结束后，在去离子水中将取向性聚氨酯纤维薄膜从铝箔上剥离并平铺于聚四氟乙烯板上真空干燥，干燥时间为3h。
(4)取10ml碳纳米管水性分散液，将碳纳米管水性分散液均匀喷涂于聚氨酯纤维表面。将喷涂碳纳米管的纤维弹性体薄膜放置于真空干燥箱中真空干燥3小时以上，干燥温度为50-80℃。干燥之后，将碳纳米管/聚氨酯纤维导体从聚四氟乙烯平板表面完整剥离。
(5)裁剪4cm×4cm的聚氨酯纤维弹性体膜两片分别用作摩擦起电层和柔性基底，裁剪3.5cm×3.5cm的碳纳米管/聚氨酯纤维导体用作电极层材料，通过热压工艺构筑三明治结构的高渗透性应变非敏感性电子皮肤，其中成型压力为10MPa，温度为60℃，加载时间为30s。
采用空气透气性测试仪依照ASTMD737-75测试标准高渗透性应变非敏感型电子皮肤摩擦层、电极与整体器件的透气性，进一步测试器件在不同拉伸应变下的压力传感性能。
图4为实施例制备的高渗透性应变非敏感型电子皮肤示意图，该电子皮肤是由两层聚氨酯纤维弹性体薄膜与夹在它们之间的碳纳米管/聚氨酯纤维导体构成，通过同质网络结构设计有效解决了各功能层之间的模量失配问题，使电子皮肤具备优良的柔韧性、高的延伸率和理想的共形特性。图5为高渗透性应变非敏感型电子皮肤的工作原理示意图，该电子皮肤基于摩擦静电感应效应，可将外界机械刺激转化为电信号输出，从而实现自驱动传感。图6a为实施例制备的高渗透性应变非敏感型电子皮肤摩擦层、电极与整体器件的透气性，图6b为器件的透气原理示意图。该电子皮肤内部大量的微纳米多孔结构交联互通形成大量渗透通道，用于人体皮肤与外界环境之间的热湿交换，有效提升了电子皮肤的穿戴舒适性。图7为实施例制备的高渗透性应变非敏感型电子皮肤的传感性能，由于高的内部阻抗以及稳定的开压输出，使其具备有本征应变非敏感特性，能够独立于机械应变的干扰准确传感法向压力，大大提升了电子皮肤在应变状态下的传感精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在任何首席本技术领域的技术人员在本发明所述的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，包括上中下三层纤维膜，分别是摩擦起电层、电极层和柔性基底，从上到下依次固定排列，其中，
所述摩擦起电层与柔性基底均为可拉伸纤维弹性体；所述可拉伸纤维弹性体包括聚氨酯；
所述电极层为可拉伸纤维导体，与地电极或其它导体相连接；
所述电极层为碳纳米管/聚氨酯纤维的复合纤维导体；所述复合纤维导体的厚度为10-90μm，复合纤维导体中纤维直径为600-1000nm；
所述电极层的制备方法为：
将碳纳米管水性分散液均匀喷涂于聚氨酯纤维表面；喷涂碳纳米管的纤维弹性体薄膜放置于真空干燥箱中真空干燥3小时以上，干燥温度为50-80℃；干燥之后，将碳纳米管/聚氨酯纤维导体从聚四氟乙烯平板表面完整剥离；
所述应变非敏感电子皮肤能够独立于机械应变的干扰准确传感法向压力；
所述摩擦起电层用纤维弹性体的厚度为10-90μm；
所述电子皮肤的成型工艺为热压成型，其中成型压力为6-10MPa，温度为40-70℃，加载时间为30-60s。
2.根据权利要求1所述的高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，纤维弹性体中纤维直径为100-1000nm。
3.根据权利要求1所述的高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，所述柔性基底用纤维弹性体的厚度为20-60μm，纤维弹性体中纤维直径为100-1000nm。
4.根据权利要求1所述的高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤为全纤维结构，器件内部的微纳米多孔结构交联互通形成大量毛细通道，使其具备优良的渗透性，用于人体皮肤与外界环境之间的热湿交换。
5.根据权利要求1所述的高渗透性应变非敏感型电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤的工作原理是基于摩擦静电感应效应，该工作原理使电子皮肤具有较高的内部阻抗，器件在机械应变下的电极电阻变化相较于其大的内部阻抗可忽略不计。
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