一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极及其制备方法和应用。该可拉伸电极，包括弹性基底和金属导电层，通过原子转移自由基聚合在弹性基底上接枝聚合物刷后，与催化剂种子反应，然后进行预拉伸，最后浸没在金属前驱液中进行化学镀，金属还原后覆盖在弹性基底表面得到金属导电层，回复弹性基底制备得到。本发明专利技术所得可拉伸电极，金属导电层与弹性基底之间通过聚合物刷紧密结合，在弹性基底上实现了金属导电层的褶皱结构，可在大范围拉伸，具有高导电和高循环稳定性；应用于电容式传感器，具备单轴、双轴和全向的应变传感以及压力的传感性能，同时还具有高灵敏度和宽应变检测范围的优点；制备方法工艺简单，条件温和，具有广泛的应用前景。广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及柔性可拉伸电子器件领域，是一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近些年来可拉伸传感设备渐渐走入人们的日常生活，它们在生物监测、医疗保健和户外运动等方面应用越来越多。而可拉伸传感器中能够响应电信号变化最关键的部件之一是可拉伸电极，它需要能够承受大的拉伸应变和具有高的循环寿命。目前可拉伸电极主要是通过在有机弹性体内部添加导电填料，这类电极缺点是刚性填料破坏了弹性体的结构，导致弹性体断裂伸长率会受到导电填料含量的影响，而且该类电极电导率往往不高，实际应用受到极大限制。假如将导电层简单负载于弹性体表面，那么电极导电层与有机弹性体的界面结合力较弱，且两者拉伸模量相差较大，导电层在多次循环拉伸中容易破裂或脱落，导致稳定较差。因此目前可拉伸传感器的电极缺乏大形变的能力，难以在高拉伸倍率和多次循环过程中使用。而且由于较差的界面结合能力，目前的可拉伸传感器往往只能进行单轴的拉伸传感，难以实现双轴，甚至全向的拉伸传感。这将极大的限制了可拉伸传感器的实际应用。
[0003]综上所述，如何提高电极中导电物质与弹性体界面作用，解决两者模量不匹配的问题，以及实现全向拉伸的能力，是制备高拉伸倍率、高循环稳定性和宽检测范围的可拉伸传感器的关键。

技术实现思路

[0004]针对现有的技术缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极及其制备方法和应用。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]提供一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极，包括弹性基底和金属导电层，通过原子转移自由基聚合在弹性基底上接枝聚合物刷后，与催化剂种子反应，然后进行预拉伸，最后浸没在金属前驱液中进行化学镀，金属还原后覆盖在弹性基底表面得到金属导电层，回复弹性基底制备得到。
[0007]按上述方案，所述金属导电层中，金属为金、银、铜、铂或镍。
[0008]按上述方案，所述弹性基底为硅橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、聚乙烯
‑
辛烯共聚物(POE)、苯乙烯
‑
丁二烯
‑
苯乙烯嵌段共聚物(SBS)或氢化苯乙烯
‑
丁二烯
‑
苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)。
[0009]按上述方案，所述催化剂种子为四氯钯酸铵、四(三苯基膦)钯、二氯四氨钯、三氟乙酸钯或新戊酸钯等钯金属配合物。
[0010]按上述方案，所述聚合物刷为单体、2,2
‑
联吡啶和金属卤化物MX在引发剂的作用下，氮气氛围中在弹性基底表面进行原子转移自由基聚合制备得到。
[0011]优选地，单体为2
‑
(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸甲酯乙烯亚胺、甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸甲酯等可以发生自由基聚合的烯烃类单体。
[0012]按上述方案，所述金属导电层厚度为0.1
‑
2μm，优选范围0.1
‑
0.6μm。
[0013]按上述方案，所述弹性基底预拉伸至20
‑
1000％的应变；优选范围200
‑
700％；更优选范围400
‑
600％。
[0014]提供一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极的制备方法，包括下述步骤：
[0015]1)对弹性基底进行表面改性，并接枝聚合物刷；
[0016]2)将步骤1)所得改性后的弹性基底浸入含有催化剂种子的水溶液中，取出清洗干净后进行预拉伸，然后浸没在金属前驱液中进行化学镀，金属还原后覆盖在弹性基底表面，最后回复弹性基底，即得基于多级微褶皱结构的可拉伸电极。
[0017]按上述方案，所述步骤1)中，聚合物刷为单体、2,2
‑
联吡啶和金属卤化物MX在引发剂的作用下，氮气氛围中在弹性基底表面进行原子转移自由基聚合制备得到。
[0018]按上述方案，所述步骤1)中，弹性体表面接枝聚合物刷步骤为：首先将弹性基底在等离子体清洗机中清洗，使得弹性基底表面接上羟基；然后加入到引发剂溶液中进行反应，最后加入单体、2,2
‑
联吡啶和金属卤化物MX，氮气氛围中在弹性基底表面进行原子转移自由基聚合接枝聚合物刷。
[0019]优选地，所述引发剂溶液浓度为30
‑
100mM。优选地引发剂溶液中溶剂为80
‑
95％四氢呋喃水溶液。
[0020]优选地，所述MX中，M代表全体金属中的一种，X代表卤素中的一种；更优选地，溴化亚铜或氯化亚铜。
[0021]优选地，单体为2
‑
(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸甲酯乙烯亚胺、甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸甲酯等可以发生自由基聚合的烯烃类单体。
[0022]优选地，单体、2,2
‑
联吡啶和MX物质的量比值为30
‑
60:2
‑
6:0.03
‑
0.1。
[0023]优选地，清洗时间为5
‑
30min。
[0024]优选地，加入到引发剂溶液中反应条件为在30
‑
80℃下反应1
‑
10h后，室温静置过夜；原子转移自由基聚合条件为：在20
‑
50℃氮气氛围中聚合反应1
‑
8h。
[0025]优选地，原子转移自由基聚合具体步骤为：将清洗处理后的弹性基底浸入含有30
‑
100mM引发剂的80
‑
95％四氢呋喃水溶液中，在30
‑
80℃下反应1
‑
10h后，室温静置过夜；取出弹性基底清洗干燥后，置于含有单体的水或甲醇溶液中，搅拌均匀并同时通N2脱气；继续通N2脱气，同时加入2,2
‑
联吡啶和MX，搅拌均匀；将混合物密封脱气，在20
‑
50℃氮气氛围中聚合反应1
‑
8h；反应结束后取出清洗干燥，即在弹性基底表面接枝聚合物刷。
[0026]更优选地，第一次清洗干燥为：用无水四氢呋喃和去离子水冲洗两遍，N2吹干；第二次清洗干燥为：用甲醇和去离子水分别清洗两遍，N2吹干。
[0027]按上述方案，所述步骤2)中，改性后的弹性基底浸入含有催化剂种子的水溶液中5
‑
10min。催化剂种子会和弹性基底表面的聚合物刷配位。
[0028]按上述方案，所述步骤2)中，浸没在金属前驱液中反应5
‑
30min，优选为15
‑
25min。
[0029]按上述方案，所述步骤2)中，预拉伸至20
‑
1000％的应变；优选范围200
‑
700％；更优选范围400
‑
600％。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多级微褶皱结构可拉伸电极，其特征在于，包括弹性基底和金属导电层，通过原子转移自由基聚合在弹性基底上接枝聚合物刷后，与催化剂种子反应，然后进行预拉伸，最后浸没在金属前驱液中进行化学镀，金属还原后覆盖在弹性基底表面得到金属导电层，回复弹性基底制备得到。2.根据权利要求1所述的可拉伸电极，其特征在于，所述金属为金、银、铜、铂或镍；所述弹性基底为硅橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、聚乙烯
‑
辛烯共聚物、苯乙烯
‑
丁二烯
‑
苯乙烯嵌段共聚物或氢化苯乙烯
‑
丁二烯
‑
苯乙烯嵌段共聚物；所述催化剂种子为四氯钯酸铵、四(三苯基膦)钯、二氯四氨钯、三氟乙酸钯或新戊酸钯。3.根据权利要求1所述的可拉伸电极，其特征在于，所述聚合物刷为单体、2,2
‑
联吡啶和金属卤化物MX在引发剂的作用下，氮气氛围中在弹性基底表面进行原子转移自由基聚合制备得到；所述单体为2
‑
(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸甲酯乙烯亚胺或甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸甲酯。4.根据权利要求1所述的可拉伸电极，其特征在于，所述金属导电层厚度为0.1
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2μm；所述弹性基底预拉伸至20
‑
1000％的应变。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的基于多级微褶皱结构可拉伸电极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：1)对弹性基底进行表面改性，并接枝聚合物刷；2)将步骤1)所得改性后的弹性基底浸入含有催化剂种子的水溶液中，取出清洗干净后进行预拉伸，然后浸没在金属前驱液中进行化学镀，金属还原后覆盖在弹性基底表面，最后回复弹性基底，即得基于多级微褶皱结构的可拉伸电极。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，弹性体表面接枝聚合物刷步骤为：首先将弹性基底在等离子体清洗机中清洗，使得弹性基底表面接上羟基；然后浸入引发剂溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋灿，姚满钊，沈华昊，王祖浩，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：