一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法，屬于柔性傳感器領域。
【背景技術】
[0002]隨著科技的飛速發(fā)展，對人工智能機器人以及人形機器人的研究已經(jīng)被提上日程。而這種人形機器人要模擬的人體皮膚需要具有對低壓力具有極高的靈敏性和穩(wěn)定性。早在2003年，日本東京大學的研究團隊利用低分子有機物一一并五苯分子制成薄膜，通過其表面密布的壓力傳感器，實現(xiàn)了電子皮膚感知壓力。2004年東京大學首次提出OFET電子皮膚以來，先后有電容式、電阻式、電壓式等電子皮膚的成功構建。近年來，納米技術和納米材料的高速發(fā)展，基于納米材料和納米結構的人造電子皮膚具有靈敏度高、響應時間快、穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能吸引越來越多人的關注。隨著谷歌眼鏡、索尼頭盔顯示器及手套式手機等新概念產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，可穿戴設備具有高靈敏度、低能耗、成本低、質量小、攜帶方便等優(yōu)點逐漸受到大眾的關注和青睞。具有納米材料、超薄厚度、更輕質量、柔性接近人體皮膚的電子皮膚是構建可穿戴器件最理想的材料。最近Materials Views期刊報道了一種以硅橡膠為支撐層，厚度為50nm單壁碳納米管膜為導電層的電子皮膚，它對低至0.6Pa的壓力可以在0.3ms內(nèi)快速感應;但該電子皮膚工藝復雜、成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法，可以解決現(xiàn)有技術中工作電壓高、功耗大及靈敏度低的問題。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:一種柔性納米纖維基電子皮膚，其特征在于:該電子皮膚由兩層導電化處理過的柔性納米纖維膜貼合而成，柔性納米纖維膜的厚度為30?500um，其中，相貼合的兩面中，至少一面具有微凹槽或微突起結構。
[0005]所述柔性納米纖維為利用熔融法、溶液法或靜電紡制備的熱塑性納米纖維(或稱熱塑性彈性體納米纖維)；例如:Ρ0Ε(聚烯烴彈性體)、TPE(熱塑性彈性體)、TPU(彈性聚胺酯)、TPR(熱塑性橡膠)、EV0H(聚乙烯-聚乙烯醇共聚物)等中的一種或多種按任意配比的混口 V 彡口口 乂 O
[0006]所述導電化處理方法為對柔性納米纖維進行原位聚合(優(yōu)選有機物的原位聚合)或化學鍍法(金屬鍍)或物理摻雜(物理共混)；柔性納米纖維經(jīng)導電化處理后仍具有清晰的納米纖維形態(tài)，導電成分為金屬、有機導電高分子(如:聚吡咯)或碳素材料中一種或多種按任意配比的組合;如:Ag、石墨烯、碳纖維、聚吡咯等中一種或多種按任意配比的組合。
[0007]所述柔性納米纖維膜上的微凹槽或微突起結構為:高度為0.5?1um，底面形狀為圓形或矩形的柱體或椎體(也可以是其他非平面結構)，微凹槽或微突起結構的長徑比為0.5?10(長指底面的邊長或直徑，徑指形狀的高度)，兩個相鄰的微凹槽或微突起結構間距為0.5?2個底面邊長或直徑(間距為2個結構的底面邊緣之間的距離)。優(yōu)選多個凸起的圓椎體，每個椎體的的底面直徑為10um，椎體高度為10um，兩個相鄰椎體的間距為1um0
[0008]上述一種柔性納米纖維基電子皮膚的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0009]I)納米纖維懸浮液的制備:使用相應溶劑將柔性納米纖維在3000?10000r/min速度下剪切50s形成懸浮液，固含量為0.5?2.5% (質量)；例如，EVOH采用質量比為6:4的異丙醇和水，PA6采用質量比為8: 2的乙酸和水，POE采用體積比為7:3的正己烷和丙酮;TPE采用純丙酮，TPU采用純丙酮；
[0010]2)納米纖維懸浮液的導電化處理:將步驟I)制備的納米纖維懸浮液置于一定溫度(如冰浴-室溫)中，緩慢加入導電成分;反應或混合完成后，得到導電納米纖維懸浮液，待用；
[0011 ] 3)制備模板:制備帶微凹槽或微突起結構的模具；
[0012]4)制備微凹槽或微突起柔性納米纖維膜電極:將2)中準備的導電納米纖維懸浮液旋涂在模具上，干燥后，熱處理(低于納米纖維材料的維卡軟化點)，脫膜，得到一面具有微凹槽或微突起結構的柔性納米纖維膜；
[0013]5)柔性納米纖維基電子皮膚的組裝:將兩張得到的柔性納米纖維膜的微凹槽或微突起面貼合，得到柔性納米纖維基電子皮膚。
[0014]導電成分為金屬、有機導電高分子或碳素材料中一種或多種按任意配比的組合；
[0015]金屬由前驅體硝酸銀、還原劑葡萄糖、氨水、氫氧化鈉和乙醇制備;其中，前驅體、葡萄糖、氨水、氫氧化鈉和乙醇的質量比1:4:45-50: 2: 40-50;金屬的質量為柔性納米纖維質量的20?100%;
[0016]有機導電高分子由單體、助劑、氧化劑和引發(fā)劑制備，單體為吡咯;助劑為蒽醌-2，7-磺酸鈉鹽或蒽醌-2-磺酸鈉鹽，氧化劑為9-水合硝酸鐵或三氯化鐵或過硫酸銨，引發(fā)劑為5-磺基水楊酸;其中，單體、助劑、氧化劑和引發(fā)劑的質量比為6:5:84:54;進行反應4h;有機導電高分子的質量為柔性納米纖維質量的20?100% ；
[0017]碳素材料為碳纖維、石墨烯中的一種，碳素材料為柔性納米纖維質量的I?15%。
[0018]納米纖維進行導電化處理后依舊存在的納米纖維結構使電子皮膚對小壓力(〈1KPa)具有更高的靈敏性和穩(wěn)定性。另外，該電子皮膚具有體積小巧，質量輕盈的特點。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明首創(chuàng)了以柔性納米纖維為基體制備柔性電子皮膚的方法，由于柔性納米纖維兼具高彈性和高比表面積，故能很好的對柔性納米纖維進行導電化處理，使其兼具敏感層和導電級的作用，結構單一，工藝簡單，能用于工業(yè)化生產(chǎn)；同時本發(fā)明使用的材料具有很好的生物相容性，故能很好的與人體皮膚融為一體，便于構筑成可穿戴器件;加之用于本發(fā)明中的電子皮膚獨特的納米結構使得該設備具有的靈敏度更高、穩(wěn)定性更好;再者整個器件輕小靈巧具有攜帶方便的優(yōu)點。可以解決現(xiàn)有技術中工作電壓高、功耗大及靈敏度低的問題。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明柔性納米纖維的示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明具有微凹槽或微突起結構的柔性納米纖維膜的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結合發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。
[0023]實施例1
[0024]—種柔性納米纖維基電子皮膚的制備方法，包括以下步驟:
[0025]I)納米纖維懸浮液的制備:使用質量比為6:4的異丙醇和水的混合溶劑將EVOH納米纖維在5000r/min速度下剪切50s形成懸浮液，固含量為I % (質量)，得到EVOH納米纖維懸浮液。
[0026]2)納米纖維懸浮液的導電化處理:取制備的EVOH納米纖維懸浮液50g置于冰浴中，向其加入0.3g吡咯單體和助劑蒽醌-2，7-磺酸鈉鹽0.25g，然后再緩慢加入9-水合硝酸鐵4.2g和5-磺基水楊酸2.7g反應4h。反應完成后，得到導電納米纖維懸浮液待用。
[0027]3)制備模板:采用激光光刻制備具有凹槽或微突起結構的模具；
[0028]4)制備微凹槽或微突起柔性納米纖維膜電極:將2)中準備的導電納米纖維懸浮液旋涂在模具上，干燥后，熱處理(100°c熱處理30min)，脫膜，得到一面具有微凹槽或微突起結構的柔性納米纖維膜；
[0029]5)柔性納米纖維基電子皮膚的組裝:將兩張得到的柔性納米纖維膜的微凹槽或微突起面貼合，得到柔性納米纖維基電子皮膚，該電子皮膚兼具敏感層和導電級的作用，可以解決現(xiàn)有技術中工作電壓高、功耗大及靈敏度低的問題。
[0030]實施例2
[0031]—種柔性納米纖維基電子皮膚的制備方法，包括以下步驟:
[0032]I)納米纖維懸浮液的制備:使用體積比為7:3的正己烷和丙酮的混合溶劑將POE納米纖維在7000r/min速度下剪切50s形成懸浮液，固含量為I % (質量)，得到POE納米纖維懸浮液(參圖1所示)。
[0033]2)納米纖維懸浮液的導電化處理:取制備的POE納米纖維懸浮液50g置于冰浴中，向其加入0.3g吡咯單體和助劑蒽醌-2-磺酸鈉鹽0.25g，然后再緩慢加入三氯化鐵4.2g和5-磺基水楊酸2.7g反應4h。反應完成后，得到導電納米纖維懸浮液待用。
[0034]3)制備模板:采用激光光刻制備具有凹槽或微突起結構的模具；
[0035]4)制備微凹槽或微突起柔性納米纖維膜電極:將2)中準備