一种选区激光图案化制备柔弹性电极的方法技术

本发明专利技术为一种选区激光图案化制备柔弹性电极的方法，所述方法是利用红外激光对柔弹性电极进行处理从而制备高电学性能稳定性的柔弹性电极。本发明专利技术的药物可用于可穿戴电子器件领域，具有工艺简单，精度高，电学性能稳定等特点。

A Method of Preparing Flexible Electrode by Selective Laser Patterning

【技术实现步骤摘要】
一种选区激光图案化制备柔弹性电极的方法
本专利技术属于可穿戴器件领域，具体为一种选区激光图案化制备柔弹性电极的方法。
技术介绍
可拉伸电极的快速发展推动了新兴的皮肤电子领域，从新型软电子材料到原型人类友好型电子设备，包括生物相容性电子和软机器人。在未来，我们的感官将通过内置于我们的衣服和配件中的电子产品大大延伸，附着在我们的皮肤上，甚至植入我们的身体。这种生物相容性电子产品，包括可穿戴设备，表皮设备，和植入式电子产品，在人体健康监测和生物医学应用中扮演着越来越重要的角色，这将极大地改变未来医疗保健以及我们与电子产品的关系。同时，由于软材料和柔性电子技术的进步，生物启发的软机器人已经取得了巨大的进步。具有类似皮肤的传感器和软驱动器的仿生软机器人预计将与人类和周围环境相互作用，并有着显著的增强安全性，高灵敏度和自适应响应，实现完整的人类机器人循环，实现无缝和紧密的相互作用。例如心脏，动脉和肺泡等器官经历高达百分之几十的周期性区域应变。常用的线状或膜状电极不能安装在这些器官或组织的表面上，因为它们不能检测有用的生理信号或进行体内医学治疗。因此，高度可拉伸和适形的电极对于类似皮肤的电子设备而言变得不可或缺，这为下一代医疗保健和生物医学应用提供了希望。在过去的几十年中，一维金属纳米结构由于其不同的电、光、磁和热性能而受到了广泛的关注。此外，这些一维金属纳米结构已经在各种器件中找到了可能的应用。而银纳米线作为一种新型纳米材料，由于其高导电性能、简单可大规模制备，廉价的多元醇合成方法收到广大的关注和研究，以银纳米线所制备的电极具有优秀的导电性能和拉伸性能成为了现在研究的热门方向之一。而市面上的硬质电极，因其不能弯曲折叠等特点，受限其发展，而基于银纳米线的电极被认为是下一代最有希望代替传统硬质电极的主要材料。基于银纳米线的电极的制作主要有旋涂、滴涂、刮涂、喷涂、丝网印刷和转移等方法。本专利技术主要通过高温转移的方法，以实现银纳米线转移至柔弹性基底上形成柔弹性器件。红外激光的工作原理主要是通过热效应来汽化材料表面的物质，已达到去除部分材料的目的。这种方式通常被称为热加工。其激光的波长为1064nm。其主要优点有拥有极小的光斑、高能量密度、加工速率快、容易实现自动化、成本低、占用面积小等优点。这使得红外激光成为了市面上最主流的，对材料加工方面最主流的激光源。在柔弹性的电子器件的不同的变形模式中，拉伸性是最苛刻和最具挑战性的。基于银纳米线的导电电极因为银纳米线优秀的导电性能和机械性能使得其在众多的可拉伸电极中脱颖而出。而激光作为当代的新型加工技术之一，具有速度快，加工精度高，稳定性好等特点。本专利技术主要提供了一种利用激光技术使银纳米线电极图案化的方法，其方法可以使得导电电极能具备特殊的二维图形镂空结构，使其具有电学上的稳定性，克服其拉伸对于电学性能上的变化，即电极在拉伸过程中保持极小的电阻值变化。这种方法拓展了导电电极在医疗、机器人、加热器和射频天线等方面的应用前景，具有较强的意义和价值。
技术实现思路
本专利技术利用高温热压转移的方法将多元醇法制备的银纳米线沉积所形成的薄膜镶嵌至掺杂炭黑的热塑性聚氨酯弹性橡胶上，利用红外激光对其进行处理，使其具备二维图形镂空结构，提升了柔弹性电极拉伸时的电学稳定性。本专利技术采用的技术方案具体如下：一种利用红外激光图案化处理银纳米线柔弹性电极的方法，包括以下步骤：(1)将热塑性聚氨酯弹性橡胶和炭黑溶解在四氢呋喃中，加热至80℃搅拌均匀，配置成热塑性聚氨酯弹性橡胶浓度为10wt％，炭黑浓度为0.5％的四氢呋喃溶液。取30ml该溶液倒置于10cm直径的玻璃上，常温下干燥形成黑色弹性橡胶基底。并同理配置10wt％热塑性聚氨酯弹性橡胶四氢呋喃溶液。(2)采用多元醇法制备的银纳米线均匀分散在水溶液中，得到银纳米线水溶液。将其以每平方厘米1.2毫克银纳米线的量在304钢片上沉积形成银纳米线薄膜，并在其上旋涂一层热塑性聚氨酯弹性橡胶浓度为10wt％的四氢呋喃溶液，烘干。(3)将黑色弹性橡胶基底和旋涂了热塑性聚氨酯弹性橡胶的银纳米线薄膜利用热压粘连在一起，并将钢片剥离，形成一个银纳米线覆盖在上面的热塑性聚氨酯弹性橡胶。(4)利用激光处理对其进行处理，清出无用部分，得到图案化的二维镂空银纳米线电极。多元醇法制备的银纳米线的步骤为：将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银、氯化铁依次溶解在乙二醇中，转移至130℃下静置反应12小时，然后冷却至室温，离心得到银纳米线。聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为360000。本专利技术中所述的红外激光为1064nm。本专利技术所述电极，其特征在于，热塑性聚氨酯弹性橡胶厚度0.5mm～1.5mm，银纳米线完全镶嵌至热塑性聚氨酯弹性橡胶中，其直径为50nm～150nm，其长度为60～120μm，其电阻变化率随拉伸率变化相对于线状柔弹性电极只有1％。本专利技术所述的的处理方法在可穿戴器件领域中应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.本专利技术将银纳米线完全镶嵌至热塑性聚氨酯弹性橡胶表面内，制备的柔弹性电子器件具有耐摩擦，器件易长期存放，耐弯折等优点；2.本专利技术制备的柔弹性电极能图案化激光处理制备高电学性能上的稳定性，在高度拉伸的条件下依旧其电阻变化率只有普通线性导电电极变化率的1％。附图说明下面参照附图结合实施例对本专利技术作进一步的描述。图1银纳米线的扫描电子显微(SEM)图；图2柔弹性电极表面的扫描电子显微(SEM)图；其中，a为拉伸前，b为拉伸后；图3基于选区激光加工制备的二维结构银纳米线电极；图4普通银纳米线电极与激光处理的结构电极的拉伸与电阻值变化的关系；具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明。应当理解，下面的实施例用于说明本专利技术的内容，而非限定本专利技术的内容，任何形式上的变动和/或变通，将落入本专利技术的保护范围。实施例1：多元醇法合成银纳米线1)在室温中，使用棕色的试剂瓶将0.2g的聚乙烯吡咯烷酮溶解在25ml的乙二醇(EG)之后，使用磁力搅拌加热台搅拌至完全溶解形成均一稳定的溶液。将溶液冷却至室温后加入0.25g的硝酸银粉末，在常温下搅拌至完全溶解，最后加入3.5g的600μM的氯化铁的乙二醇溶液在热台上搅拌1-2分钟获得反应前溶液。2)三颈烧瓶放置在油浴锅中一定温度下预热后，将上述溶液转移至三颈烧瓶中，130℃下反应12h。反应过程中保持反应在阴暗的条件下进行。待溶液反应完全后取出冷却至室温。3)将三颈烧瓶中的混合溶液与乙醇以1∶5的比例相溶，晃匀后转移至离心管中使用台式离心机进行离心，转速为1000rpm，时间为10min；离心之后移除上层清液留下底部沉积物，继续加入5倍体积的乙醇，完全晃开之后以相同条件的离心条件进行离心。最后将离心之后的上层清液倒去之后加入一定体积的水，晃匀之后得到了干净的银纳米线的水溶液。实施例2：制备银纳米线柔弹性电极1)将银纳米线稀释至1mg/ml的银纳米线溶液，此外将304钢片贴至12*12cm正方形容器底部。取172ml的银纳米线溶液加入至容器，水平静置3h后将其转移至水平状态下的鼓风干燥箱中，烘至完全干燥获得了分布均匀的银纳米线薄膜。2)将热塑性聚氨酯弹性橡胶和炭黑溶解在四氢呋喃中，加热至80℃搅拌均匀，配置成热塑性聚氨酯弹性橡胶浓度为10wt％，炭黑浓度为0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选区激光图案化制备柔弹性电极的方法在穿戴器件领域的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将热塑性聚氨酯弹性橡胶和炭黑溶解在四氢呋喃中，加热搅拌均匀，配置成热塑性聚氨酯弹性橡胶浓度为10wt％，炭黑浓度为0.5％的四氢呋喃溶液。取该溶液倒置于直径的玻璃上，常温下干燥形成黑色弹性橡胶基底。并同理配置10wt％热塑性聚氨酯弹性橡胶四氢呋喃溶液。(2)采用多元醇法制备的银纳米线均匀分散在水溶液中，得到银纳米线水溶液并在钢片上沉积形成银纳米线薄膜，其次在其上旋涂一层热塑性聚氨酯弹性橡胶。(3)将黑色弹性橡胶基底和旋涂了热塑性聚氨酯弹性橡胶的银纳米线薄膜利用热压粘连在一起，并将钢片剥离，形成一个银纳米线覆盖在上面的热塑性聚氨酯弹性橡胶。(4)利用红外激光处理对其进行处理，清出无用部分，得到图案化的二维镂空银纳米线电极。

【技术特征摘要】
1.一种选区激光图案化制备柔弹性电极的方法在穿戴器件领域的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将热塑性聚氨酯弹性橡胶和炭黑溶解在四氢呋喃中，加热搅拌均匀，配置成热塑性聚氨酯弹性橡胶浓度为10wt％，炭黑浓度为0.5％的四氢呋喃溶液。取该溶液倒置于直径的玻璃上，常温下干燥形成黑色弹性橡胶基底。并同理配置10wt％热塑性聚氨酯弹性橡胶四氢呋喃溶液。(2)采用多元醇法制备的银纳米线均匀分散在水溶液中，得到银纳米线水溶液并在钢片上沉积形成银纳米线薄膜，其次在其上旋涂一层热塑性聚氨酯弹性橡胶。(3)将黑色弹性橡胶基底和旋涂了热塑性聚氨酯弹性橡胶的银纳米线薄膜利用热压粘连在一起，并将钢片剥离，形成一个银纳米线覆盖在上面的热塑性聚氨酯弹性橡胶。(4)利用红外激光处理对其进行处理，清出无用部分，得到图案化的二维镂空银...

【专利技术属性】
技术研发人员：王靖，孔德圣，周赟磊，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32