一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器技术

本发明专利技术属于电容式柔性传感器技术领域，具体涉及一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器。其技术要点如下，电容式柔性传感器从上到下依次为上保护层、上导电层、介电层、下导电层和下保护层；其中，上导电层和下导电层为银层；介电层为多孔单畴液晶弹性体（P

【技术实现步骤摘要】
一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器


[0001]本专利技术属于电容式柔性传感器
，具体涉及一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器。

技术介绍

[0002]近年来，随着柔性电子材料和传感技术的快速发展，可穿戴式柔性传感器的发展非常迅速。可穿戴式柔性传感器的核心技术是将外部形变有效地转化为电信号。然而传统的半导体和金属基压力传感器的灵敏度低，传感范围窄，拉伸能力有限且分辨率低，难以应用于需要柔性接触或可穿戴设备。而现有技术中适用于任意曲面的柔性压力传感器中，电容式压力传感器的应用最为广泛。但是电容式压力传感器的寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，联接电路较为复杂。且电容式柔性压力传感器的介电层材料大多是PDMS和Ecoflex等材料，具有介电损耗高、介电常数低、响应速度慢、回弹时间长、在高压下的灵敏度较小等问题，且制备工艺复杂。
[0003]有鉴于上述现有技术存在的缺陷，本专利技术人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，开发一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一个目的是提供一种多孔单畴液晶弹性体(P
‑
mLCEs)是一种良好生物相容性的智能柔性材料，具有任意拉长压缩、弯曲折叠、响应快、灵敏度高等特点。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]本专利技术提供的多孔单畴液晶弹性体，其分子链上带有双重氢键和金属配位键，其分子结构式如下：
[0007][0008]其中，M
n+
表示金属离子。
[0009]本专利技术提供一种含有双重氢键和金属配位键的液晶弹性体；通过引入中间体，在液晶聚合物分子链上嵌入含酰胺键和希夫碱键的链段，并掺入金属离子，分子链中酰胺键之间形成了双重氢键，希夫碱键与金属离子形成配位键。众所周知，介电常数是判别高分子材料的极性大小重要参数。通过此制备的离子型液晶弹性体作为介电层，由于配位键的形
成也进一步增强了其对电荷的束缚能力，即增大了电负性。而电负性越大，可极化能力越强，进而大幅度提高了其介电常数。同时，由于双重氢键和金属配位键同时存在，引起液晶聚合物的交联密度增加，导致其断裂拉伸强度急剧增大。相比其他柔性传感器，其作为压力传感器的介电层时具有较快的响应/回复速度。
[0010]同时，对液晶弹性体介电层进行部分造孔(常规造孔方法)，进一步提升了柔性传感器的灵敏度，而且柔性传感器在高温下性能优异。
[0011]进一步的，M
n+
是Fe
3+
、Cu
2+
或Zn
2+
中的任意一种。中心原子(离子)与配位原子的电负性相差较小时，倾向于形成配位键。N原子有较高的电负性(3.04)，铁1.83，铜1.9，锌1.65电负性与N原子较为贴近。
[0012]本专利技术的第二个目的是提供一种多孔单畴液晶弹性体的制备方法，具有同样的技术效果。
[0013]本专利技术的上述技术目的是由以下技术方案实现的：
[0014]本专利技术提供的多孔单畴液晶弹性体的制备方法，包括如下操作步骤：采用丁二酮肟和二甲基甲烷二异氰酸酯反应制备中间体DMG
‑
IP；将液晶单体RM257、扩链剂、交联剂和催化剂溶于溶剂中，反应结束后加入中间体DMG
‑
IP、金属盐和光引发剂，搅拌均匀得到液晶弹性体前驱液；将液晶弹性体倒入模具中，静置成膜，加热后洗涤，在UV光照下机械拉伸，获得多孔单畴液晶弹性体。
[0015]进一步的，液晶单体RM257、扩链剂与交联剂的摩尔比为1:(0.7～0.9):(0.05～0.1)；催化剂的含量为20～50μL；液晶单体RM257、中间体DMG
‑
IP和金属盐的摩尔比例为1:(0.05～0.25):(0.1～2)；光引发剂的含量为液晶单体0.5％wt；其中液晶单体RM257为3.2～4.0g。
[0016]进一步的，多孔单畴液晶弹性体制备方法，具体包括如下操作步骤：
[0017]S1、中间体DMG
‑
IP：将丁二酮肟与二甲基甲烷二异氰酸酯按照摩尔比为1:2溶于10mL四氢呋喃溶剂中，在氮气氛围下60
‑
80℃反应3～6h，得到中间体DMG
‑
IP；
[0018]S2、液晶弹性体前驱液：将液晶单体RM257、扩链剂、交联剂四(3
‑
巯基丙酸)季戊四醇酯和催化剂二正丙胺溶于四氢呋喃溶剂中，反应12～24h；继续依次加入步骤S1中的DMG
‑
IP、金属盐、光引发剂2,2
‑
二甲氧基
‑2‑
苯基苯乙酮充分搅拌使其完全溶解，得到液晶弹性体前驱液；
[0019]S3、多孔单畴液晶弹性体：将步骤S2中液晶弹性体前驱液倒入均匀铺满NaCl颗粒的模具中，静止24h后成膜；将膜置于去离子水中80℃加热10～12h，继续超声1～2h，将NaCl颗粒洗出，即得到孔径为100～200μm多孔液晶弹性体薄膜；
[0020]造孔是提升传感器灵敏度的常用方法，并且孔径越小，介电常数越大，灵敏度提升的越明显。但是由于限于物理造孔技术和本专利技术材料的限制，难以得到孔径更小的多孔液晶弹性体薄膜。然而，孔径过大一方面会大大降低杨氏模量，降低介电层回弹性，影响灵敏度；另一方面，材料的孔隙率增加，介电常数降低，灵敏度降低。
[0021]在UV光照下机械拉伸50～100％，即可得到多孔单畴液晶弹性体。
[0022]进一步的，交联剂是四(3
‑
巯基丙酸)季戊四醇酯。
[0023]进一步的，引发剂是2,2
‑
二甲氧基
‑2‑
苯基苯乙酮。
[0024]进一步的，机械拉伸的拉伸度为50～100％。
[0025]进一步的，扩链剂为双(2
‑
巯基乙基)醚、1,4
‑
丁二醇双(巯基乙酸酯)、3,6
‑
二氧杂
‑
1,8
‑
辛烷二硫醇中的一种。
[0026]进一步的，金属盐为FeCl3、CuCl2或ZnCl2中的一种。
[0027]本专利技术的第三个目的是提供一种基于多孔单畴液晶弹性体的电容式柔性传感器，其在0～30kPa压力下的传感器灵敏度为16.25
×
10
‑3KPa
‑1，在30～160KPa压力下的压力传感灵敏度为2.08
×
10
‑3KPa
‑1，有效解决了其它柔性基体限制传感器检测极限的问题；在高温环境下该传感器表现出更为优异的性能，即更快的响应/回复速度，在25KPa下分别为20ms和34ms，进一步拓展了该电容式传感器应用范围；且该传感器在超过200本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔单畴液晶弹性体，其特征在于，所述多孔单畴液晶弹性体的分子链上带有双重氢键和金属配位键，其分子结构式如下：其中，M
n+
表示金属离子。2.根据权利要求1所述的一种多孔单畴液晶弹性体，其特征在于，所述M
n+
是Fe
3+
、Cu
2+
或Zn
2+
中的任意一种。3.根据权利要求1或2所述的一种多孔单畴液晶弹性体的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：采用丁二酮肟和二甲基甲烷二异氰酸酯反应制备中间体DMG
‑
IP；将液晶单体RM257、扩链剂、交联剂和催化剂溶于溶剂中，反应结束后加入中间体DMG
‑
IP、金属盐和光引发剂，搅拌均匀得到液晶弹性体前驱液；将液晶弹性体倒入模具中，静置成膜，加热后洗涤，在UV光照下机械拉伸，获得所述多孔单畴液晶弹性体。4.根据权利要求3所述的一种多孔单畴液晶弹性体的制备方法，其特征在于，所述交联剂是四(3
‑
巯基丙酸)季戊四醇酯。5.根据权利要求3所述的一种多孔单畴液晶弹性体的制备方法，其特征在于，所述引发剂是2,2
‑
二甲氧基
‑2‑
苯基苯乙酮。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建宁，白弘宇，袁宁一，董旭，李绿洲，江瑶瑶，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：