一种可拉伸超灵敏电子皮肤及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种可拉伸超灵敏电子皮肤及其制备方法和应用，所述电子皮肤包括由上至下相叠的第一电极层、介电层和第二电极层；所述介电层为具有仿生微结构的离子凝胶薄膜。其制备方法为：将具有仿生微结构的离子凝胶薄膜置于第一电极层和第二电极层中间，将三者封装在一起，得到所述可拉伸超灵敏电子皮肤。该电子皮肤具有高灵敏度、低检出限、柔性好、稳定性强，在大应变下依然能保持良好的导电性，且制备工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种可拉伸超灵敏电子皮肤及其制备方法和应用
本专利技术属于传感器
，具体涉及一种电子皮肤及其制备方法和应用，尤其涉及一种可拉伸超灵敏电子皮肤及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，随着柔性电子产品的快速发展，其在健康监测、人机界面和可穿戴设备中显示出越来越多的应用价值，同时也需要更多类型的具有高度适形性和高度可拉伸性的电子皮肤。然而，很少有材料可以在大拉伸应变下保持电学功能。柔性电极通常是通过将导电膜沉积或转移到可拉伸基材的表面上来制造的，对于可拉伸基材，聚二甲基硅氧烷橡胶(PDMS)是最常用的选择之一，因为它具有高透明度，高弹性极限和优异的稳定性。但是聚二甲基硅氧烷橡胶(PDMS)基底与导电材料之间存在巨大的机械性能差异以及截然不同的表面性质，因此该类电极在受循环拉伸时经常发生破裂或分层，很不稳定；同时，该类电极在大应变下的导电性很低；另外，由于聚二甲基硅氧烷橡胶为疏水性材料，导电材料时亲水性的，这种差异导致聚二甲基硅氧烷橡胶基底与导电材料之间的界面相互作用不足，也将降低电极的长期稳定性。现有技术中公开的电子皮肤也往往具有灵敏度不高或检出限不够低的缺陷。CN104359597A公开了一种基于三维柔性衬底石墨烯的电子皮肤及其制备方法，该石墨烯电子皮肤包括两层柔性衬底和覆盖在其内表面的石墨烯薄膜。当三维柔性衬底受到挤压、拉伸等外界作用力时，上下两层石墨烯层的接触面积将发生变化，从而直接导致两层间的接触电阻发生变化，通过读取电压或者电流信号，就可反映电子皮肤在外力下的形态变化。本专利技术提供的一种基于三维柔性衬底石墨烯的电子皮肤是透明的，具有超轻超薄，节能等优点，但该电子皮肤具有灵敏度不高、长期稳定性较差的缺点。CN105671962A公开了一种柔性纳米纤维基电子皮肤及其制备方法，该电子皮肤由两层导电化处理过的柔性纳米纤维膜贴合而成，柔性纳米纤维膜的厚度为30-500μm，其中，相贴合的两面中，至少一面具有微凹槽或微突起结构。本专利技术可以解决现有技术中工作电压高、功耗大及灵敏度低的问题；结构单一，工艺简单，能用于工业化生产。但该电子皮肤在大应变的拉伸下器其导电性得不到保证。CN109100075A公开了一种用于电子皮肤的柔性压力传感器及制备方法，该方法通过激光刻蚀制得具有锥形微孔的硅模板，然后涂覆含固化剂的聚二甲基硅氧烷，固化后剥离得到锥形结构的聚二甲基硅氧烷柔性基板，再喷涂石墨烯/聚苯胺分散液形成透明导电薄膜，进一步封装氧化锡锑电极及聚醚酰亚胺衬底，制得柔性压力传感器。与传统方法相比，本专利技术制备的压力传感器虽然具有良好的柔性、灵敏度、探测极限低，但无法保证导电薄膜与柔性基板接触的稳定性，其在受循环拉伸时易发生破裂或分层。因此，开发一种具有高灵敏度、低检出限、柔性好、稳定性强，在大应变下依然能保持良好的导电性，且制备工艺简单，成本低的电子皮肤是非常有意义的。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种电子皮肤及其制备方法和应用，尤其提供一种可拉伸超灵敏电子皮肤及其制备方法和应用。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种可拉伸超灵敏电子皮肤，所述电子皮肤包括由上至下相叠的第一电极层、介电层和第二电极层；所述介电层为具有仿生微结构的离子凝胶薄膜。本专利技术选用大自然中的生物作为原始模板，制备具有仿生微结构的离子凝胶薄膜作为电子皮肤的介电层，使得电子皮肤具有很高的灵敏度。优选地，所述仿生微结构包括荷叶表面微结构、天鹅绒竹芋叶子表面微结构或月季花瓣表面微结构。优选地，所述介电层为单面具有荷叶表面微结构的仿生离子凝胶薄膜，且具有荷叶表面微结构的一面朝向第一电极层。优选地，所述第一电极层和第二电极层均包括表面接枝改性的可拉伸基材层及负载于可拉伸基材层接枝面的导体层，所述导体层朝向介电层。本专利技术采用表面接枝的技术对可拉伸基材进行表面改性，提高了可拉伸基材层与导体层的粘结力，使电极在受循环拉伸时不易发生破裂或分层，提高了电子皮肤的长期稳定性，且在大应变下依然能保持良好的导电性。优选地，所述表面接枝改性是指表面修饰有聚合物，所述聚合物的反应单体包括甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酰胺、对苯乙稀磺酸钠、甲基丙烯酸酯衍生物或丙烯酸酯衍生物中的任意一种或至少两种的组合，所述至少两种的组合例如甲基丙烯酸和丙烯酸的组合、丙烯酰胺和对苯乙稀磺酸钠的组合、甲基丙烯酸和丙烯酸以及丙烯酰胺的组合等。优选地，所述可拉伸基材包括聚二甲基硅氧烷橡胶。优选地，所述导体层的导体包括碳纳米管、石墨烯片、金纳米网格、银纳米线或聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐。另一方面，本专利技术提供一种如上所述的可拉伸超灵敏电子皮肤的制备方法，所述制备方法为：将具有仿生微结构的离子凝胶薄膜置于第一电极层和第二电极层中间，将三者封装在一起，得到所述可拉伸超灵敏电子皮肤。本专利技术所述制备可拉伸超灵敏电子皮肤的工艺简单，成本低。在本专利技术中，所述制备具有仿生微结构的离子凝胶薄膜的方法为：(1)制备聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板：将荷叶、天鹅绒竹芋叶或月季花瓣洗净并吹干，固定于玻璃基板上并保持平整，将去除气泡的聚二甲基硅氧烷橡胶预聚物混合液涂布于荷叶、天鹅绒竹芋叶或月季花瓣表面，加热，剥离得到单面具有荷叶表面微结构、天鹅绒竹芋叶表面微结构或月季花瓣表面微结构的聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板；(2)等离子体处理：将步骤(1)得到的聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板放入等离子清洗机中进行活化处理，使其表面硬化；(3)将离子凝胶前驱液涂布于步骤(2)经等离子体处理后的聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板具有荷叶表面微结构、天鹅绒竹芋叶表面微结构或月季花瓣表面微结构的一面上，待溶剂挥发，剥离得到具有仿生微结构的离子凝胶薄膜。优选地，步骤(1)所述聚二甲基硅氧烷橡胶预聚物混合液由聚二甲基硅氧烷橡胶基液与固化剂混合而成。优选地，所述聚二甲基硅氧烷橡胶基液与固化剂的质量比为5:1。优选地，步骤(1)所述加热的温度为50-70℃，例如50℃、53℃、55℃、58℃、60℃、62℃、65℃或70℃等。优选地，步骤(1)所述加热的时间为1-3h，例如1h、1.2h、1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h、2.8h或3h等。优选地，步骤(2)所述活化处理的功率为40-60W，例如40W、42W、45W、50W、52W、55W或60W等。优选地，步骤(2)所述活化处理的时间为3-8min，例如3min、4min、5min、6min、7min或8min等。所述活化处理是为了让聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板的表面硬化，便于后期具有仿生微结构的离子凝胶薄膜与其剥离。优选地，步骤(3)所述离子凝胶前驱液由聚合物、离子液体和有机溶剂混合而成。优选地，所述聚合物包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氧乙烯中的任意一种或至少两种的组合，所述至少两种的组合例如聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)和聚甲基丙烯酸甲酯的组合、聚甲基丙烯酸甲酯和聚氧乙烯的组合、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)和聚甲基丙烯酸甲酯以及聚氧乙烯的组合等。优选地，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-辛基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可拉伸超灵敏电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤包括由上至下相叠的第一电极层、介电层和第二电极层；所述介电层为具有仿生微结构的离子凝胶薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种可拉伸超灵敏电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤包括由上至下相叠的第一电极层、介电层和第二电极层；所述介电层为具有仿生微结构的离子凝胶薄膜。2.如权利要求1所述的可拉伸超灵敏电子皮肤，其特征在于，所述仿生微结构包括荷叶表面微结构、天鹅绒竹芋叶子表面微结构或月季花瓣表面微结构；优选地，所述介电层为单面具有荷叶表面微结构的仿生离子凝胶薄膜，且具有荷叶表面微结构的一面朝向第一电极层。3.如权利要求1或2所述的可拉伸超灵敏电子皮肤，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层均包括表面接枝改性的可拉伸基材层及负载于可拉伸基材层接枝面的导体层，所述导体层朝向介电层；优选地，所述表面接枝改性是指表面修饰有聚合物，所述聚合物的反应单体包括甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酰胺、对苯乙稀磺酸钠、甲基丙烯酸酯衍生物或丙烯酸酯衍生物中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述可拉伸基材包括聚二甲基硅氧烷橡胶；优选地，所述导体层的导体包括碳纳米管、石墨烯片、金纳米网格、银纳米线或聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐。4.如权利要求1-3中任一项所述的可拉伸超灵敏电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将具有仿生微结构的离子凝胶薄膜置于第一电极层和第二电极层中间，将三者封装在一起，得到所述可拉伸超灵敏电子皮肤。5.如权利要求4所述的可拉伸超灵敏电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述制备具有仿生微结构的离子凝胶薄膜的方法为：(1)制备聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板：将荷叶、天鹅绒竹芋叶或月季花瓣洗净并吹干，固定于玻璃基板上并保持平整，将去除气泡的聚二甲基硅氧烷橡胶预聚物混合液涂布于荷叶、天鹅绒竹芋叶或月季花瓣表面，加热，剥离得到单面具有荷叶表面微结构、天鹅绒竹芋叶表面微结构或月季花瓣表面微结构的聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板；(2)等离子体处理：将步骤(1)得到的聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板放入等离子清洗机中进行活化处理，使其表面硬化；(3)将离子凝胶前驱液涂布于步骤(2)经等离子体处理后的聚二甲基硅氧烷橡胶二次模板具有荷叶表面微结构、天鹅绒竹芋叶表面微结构或月季花瓣表面微结构的一面上，待溶剂挥发，剥离得到具有仿生微结构的离子凝胶薄膜。6.如权利要求5所述的可拉伸超灵敏电子皮肤的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述聚二甲基硅氧烷橡胶预聚物混合液由聚二甲基硅氧烷橡胶基液与固化剂混合而成；优选地，所述聚二甲基硅氧烷橡胶基液与固化剂的质量比为5:1；优选地，步骤(1)所述加热的温度为50-70℃；优选地，步骤(1)所述加热的时间为1-3h；优选地，步骤(2)所述活化处理的功率为40-60W；优选地，步骤(2)所述活化处理的时间为3-8min；优选地，步骤(3)所述离子凝胶前驱液由聚合物、离子液体和有机溶剂混合而成；优选地，所述聚合物包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氧乙烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-辛基-3甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酸盐或氯化1-丁基-3-甲基咪唑盐中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述有机溶剂包括丙酮、丁酮或环己酮中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述聚合物与所述离子液体的质量比为1:(1-5)；优选地，所述有机溶剂在所述离子凝胶前驱液中的质量百分含量为50％-90％；优选地，步骤(3)所述涂布是使用旋涂仪进行涂布；优选地，所述涂布时的转速为1000-4000r/min；优选地，所述涂布的持续时间为0.5-2min。7.如权利要求4-6中任一项所述的可拉伸超灵敏电子皮肤的制备方法，其特征在于，所述制备可拉伸导电聚合物电极的方法为：(A)将可拉伸基材薄膜的一面进行表面接枝改性：将可拉伸基材薄膜浸入含有光...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭传飞，李刚，邓志灏，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44