柔性可拉伸驻极体薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性可拉伸驻极体薄膜及其制备方法，属于功能材料领域。本发明专利技术的驻极体薄膜由第一橡胶层、水凝胶层、第二橡胶层、多孔聚四氟乙烯层和第三橡胶层依次叠加构成，该驻极体薄膜不仅可以将压力信号转化为电信号，还可以测量双向拉伸不同形变的应力与应变功能，具有制备简单、轻薄、柔性可拉伸等特点，尤其在人工皮肤、触觉感知系统、人机交互、医疗健康等方向具有广阔应用前景。健康等方向具有广阔应用前景。健康等方向具有广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】
柔性可拉伸驻极体薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于功能材料领域，具体涉及一种柔性可拉伸驻极体薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]传感器作为捕捉外界信号的重要元器件，它的出现极大地改变了人们的生活质量。各类传感器当中，应变片是主要的传感器种类之一，传统刚性应变传感器由金属箔以及半导体材料制成，它能在应变情况下电阻发生变化，广泛应用于测量应变、拉力的测量，但是传统刚性应变传感器由于其自身刚性的特点，不能很好贴附在各类不规则物体表面，这制约了应变传感器的应用范围，而人们对于机器人的仿生化、人性化、智能化的需求越来越急切，这推动着传感器从刚性向柔性的转变，而柔性传感器由于其具备柔性、拉伸性、稳定性等特点，受到科学界以及工业界越来越多的关注。
[0003]压电驻极体(也称为铁电驻极体)是指微孔结构空间电荷驻极体材料，在水声器、电声换能器、周围环境能量收集器等领域都有着非常广阔的应用前景。虽然驻极体薄膜具有很好的柔韧性，既包含压电陶瓷的压电特性和铁电的柔性于一体的新型人工智能材料。但是现在报道的具有压电驻极体薄膜却很少具有拉伸性，同时现在大多数驻极体薄膜很难兼顾良好柔性、不错的拉伸率、大面积成膜、成本可控等优点，这些在某种程度上制约了压电驻极体薄膜应用在仿生能量采集、机器人皮肤、柔性可穿戴器件的发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种柔性可拉伸驻极体薄膜及其制备方法，其目的在于解决传统压电薄膜制作要求严苛而造成的成本高，以及传统压电驻极体驻极体薄膜拉伸性差的问题，有利于压电驻极体薄膜在仿生能量采集、机器人皮肤、柔性可穿戴器件中的应用和发展。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种柔性可拉伸驻极体薄膜，由第一橡胶层、水凝胶层、第二橡胶层、多孔聚四氟乙烯层和第三橡胶层依次叠加构成，多孔聚四氟乙烯层带有负电荷；
[0007]所述第二橡胶层的厚度为0.1
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1mm，第一橡胶层和第三橡胶层的厚度为0.1
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0.6mm，多孔聚四氟乙烯的孔径为1
‑
7um，孔率为70％
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90％，优选80％。
[0008]优选的，所述的第二橡胶层上表面设有凹槽，水凝胶层位于凹槽内，水凝胶层下表面与凹槽连接，水凝胶层上表面与第一橡胶层连接。
[0009]一种柔性可拉伸驻极体薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0010]1)裁剪出一定大小的矩形多孔聚四氟乙烯薄膜作为多孔聚四氟乙烯层，采用电晕极化法或其他极化方法注入负电荷，使得多孔聚四氟乙烯层的表面电势达到
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0.6kV至
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0.9kV；
[0011]2)配制聚二甲基硅氧烷溶液，浇筑在多孔聚四氟乙烯层的两侧，冷却后形成与多孔聚四氟乙烯层固结在一起的第二橡胶层和第三橡胶层；将聚二甲基硅氧烷溶液浇筑在模具中，冷却后形成第一橡胶层备用；
[0012]3)在位于多孔聚四氟乙烯层上的第二橡胶层的上表面刻蚀矩形凹槽，凹槽的尺寸为上表面尺寸的60％
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90％；凹槽的存在可以存放水凝胶溶液，控制水凝胶层的厚度；柱驻极体薄膜和普通ecoflex 0030薄膜。
[0013]清洗凹槽及第一橡胶层的一面备用；
[0014]4)将含有2wt％氯化钠的水凝胶溶液滴入并填满凹槽中，用清洗后的第一橡胶层一面贴合凹槽，利用两片透光玻璃夹住由第一橡胶层、水凝胶层、第二橡胶层、多孔聚四氟乙烯层和第三橡胶层依次叠加的五层结构，放置在紫外线灯下聚合10
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40min，优选20
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40min；水凝胶聚合完成后，会将第一橡胶层和第二橡胶层粘连在一起，撤下透光玻璃，得到制备好的驻极体压电薄膜。
[0015]本专利技术的水凝胶层一方面起到了胶体的粘连作用，同时水凝胶离子的存在，使得水凝胶区别于普通胶体，具备了充当电极的作用。由于水凝胶在环境中会失水，第一橡胶层起到了封装的作用，防止了水凝胶的挥发。
[0016]优选的，在步骤3)和步骤4)之间还包括电极安装过程，将金属薄片电极的一端放置在凹槽中心位置处，另一端伸出凹槽外部。
[0017]优选的，步骤3)中的清洗过程为：用8wt％二苯甲酮酒精溶液涂满凹槽和边沿、以及第一橡胶层的一面，由于二苯甲酮不溶于水，但是溶于酒精，8wt％二苯甲酮酒精溶液充当修饰剂的作用，将橡胶层的疏水性表面改性成亲水性，使得水凝胶能够聚合在改性之后的薄膜表面上。吹干后用去离子水冲洗表面，既可清洗表面杂质，又不影响改性过后薄膜表面亲水的性质。进一步优选的，再用等离子体清洗机处理表面，等离子体清洗剂首选氮气，目的是加强薄膜表面的亲水性质，使得薄膜更易贴合在物体表面，同时等离子体机处理薄膜表面是为了加强薄膜表面亲水性。若没有等离子体机设备，用二苯甲酮溶液处理过的薄膜即可达到之后加工制作驻极体薄膜要求。
[0018]优选的，所述凹槽的深度为0.15
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0.2mm。
[0019]优选的，所述的热极化法的极化电压为1.5
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2.2kV，极化温度为80
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200℃。
[0020]优选的，极化时间为10
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30min。
[0021]优选的，所述水凝胶溶液的制备方法为：将2mol的丙烯酰胺单体溶解在去离子水溶液中，加入1mol氯化钠、0.05％mol交联剂和0.1％mol光引发剂，搅拌溶解后得到水凝胶溶液。在紫外线光照下水凝胶中的单体丙烯酰胺转变成聚丙烯酰胺，实现胶体聚合。
[0022]优选的，所述的交联剂为N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺，光引发剂为1
‑
羟基环己基苯基甲酮。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的技术方案与现有技术相比，主要具备了以下优点：
[0024](1)本专利技术提供的驻极体压电薄膜原材料简单，在制备过程中无需大型设备，制备方便，利于规模化生产。
[0025](2)本专利技术制备得到的驻极体薄膜具备柔性可拉伸的优点，拉伸率高达400％以上，克服了传统驻极体薄膜难拉伸的缺点。
[0026](3)该驻极体薄膜不仅仅能感知薄膜表面的压力信号，同时拉升情况下也能感知相应电流信号，应用范围更广，在人工皮肤、触觉感知系统、人机交互、医疗健康等方向具有广阔应用前景。
附图说明
[0027]图1是带凹槽的膜结构示意图；
[0028]图2是驻极体薄膜结构示意图；
[0029]图3是驻极体薄膜的拉伸应力
‑
应变图；
[0030]图4是驻极体薄膜表面电势随时间变化图；
[0031]图5是驻极体薄膜在不同频率拉伸下的电流变化图；
[0032]图6是驻极体薄膜在不同频率按压下的电流变化图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图对本专利技术做进一步解释说明。
[0034]如图2所示，本专利技术提出了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性可拉伸驻极体薄膜，其特征在于，由第一橡胶层、水凝胶层、第二橡胶层、多孔聚四氟乙烯层和第三橡胶层依次叠加构成，多孔聚四氟乙烯层带有负电荷；所述第二橡胶层的厚度为0.1
‑
1mm，第一橡胶层和第三橡胶层的厚度为0.1
‑
0.6mm，多孔聚四氟乙烯的孔径为1
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7um，孔率为70％
‑
90％；2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸驻极体薄膜，其特征在于，所述的第二橡胶层上表面设有凹槽，水凝胶层位于凹槽内，水凝胶层下表面与凹槽连接，水凝胶层上表面与第一橡胶层连接。3.一种权利要求1所述的柔性可拉伸驻极体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)裁剪出一定大小的矩形多孔聚四氟乙烯薄膜作为多孔聚四氟乙烯层，采用热极化法注入负电荷，使得多孔聚四氟乙烯层的表面电势达到
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0.6kV至
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0.9kV；2)配制聚二甲基硅氧烷溶液，浇筑在多孔聚四氟乙烯层的两侧，冷却后形成与多孔聚四氟乙烯层固结在一起的第二橡胶层和第三橡胶层；将聚二甲基硅氧烷溶液浇筑在模具中，冷却后形成第一橡胶层备用；3)在位于多孔聚四氟乙烯层上的第二橡胶层的上表面刻蚀矩形凹槽，凹槽的尺寸为上表面尺寸的60％
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90％；清洗凹槽及第一橡胶层的一面备用；4)将含有2wt％氯化钠的水凝胶溶液滴入并填满凹槽中，用清洗后的第一橡胶层一面贴合凹槽，利用两片透光玻璃夹住由第一橡胶层、水凝胶层、第二橡胶层、多孔聚四氟乙烯层和第三橡胶层依次叠加的五层结构，放置在紫...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂世举，谭剑波，徐子盛，谢新俊，张志远，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：