一种丝素蛋白复合压电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种丝素蛋白复合压电薄膜的制备方法，包括将甘氨酸粉末溶解于壳聚糖乙酸溶液中以得到甘氨酸

【技术实现步骤摘要】
一种丝素蛋白复合压电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性电子材料领域，尤其涉及一种丝素蛋白复合压电薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]柔性电子器件在信息、医疗、国防、能源等领域有着广泛的应用前景，例如制备成柔性传感器、柔性电池、柔性显示器、电子皮肤、柔性集成微系统等。一般来说，柔性电子器件是通过在柔性衬底上制备有机/无机材料制成的功能元件来实现的，在保证正常工作条件的同时，使器件具有优异的弯曲性、拉伸性和适应性。聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺、氟化乙烯丙烯和硅酮橡胶由于其在弯曲和拉伸方面的力学性能，广泛作为柔性电子器件的柔性衬底材料使用。然而，这些材料很难实现尤其是医疗领域所需的生物相容性和生物降解性。此外，这些材料大多成本高昂，阻碍了柔性电子器件的大规模应用。
[0003]丝素蛋白是从例如为蚕和蜘蛛的昆虫的产物中提取出的天然丝纤维。研究人员发现，丝素蛋白作为天然的柔性材料具有相当优异的生物相容性和水溶性，通过改良制备方法或实施后处理加工，其生物降解性可以在数小时到数年的范围内变化。同时，丝素蛋白自身具有较高的拉伸强度和透明度，这对制备柔性电子器件尤为重要。此外，丝素蛋白获得成本较低，在经济效益上具有较大优势。因此，丝素蛋白在制备柔性电子器件方面具有巨大的应用潜力。
[0004]目前制约天然丝素蛋白制备柔性电子器件，尤其是压电薄膜的一个主要原因是压电常数d33值较低，难以满足实际应用中的需求。研究发现，丝素蛋白的压电性与它的β结构数量成正比。为此，现有技术主要通过醇溶液浸泡或拉伸处理来增加丝素蛋白中β结构的数量。此外，在制备丝素蛋白薄膜时，还可以通过在高压下长时间的复极化过程来增加压电效应。然而，这些处理不同程度影响了丝素蛋白薄膜的韧性和机械强度。有研究提出可以在制备过程中引入氯化钙来提高丝素蛋白薄膜韧性和拉伸强度，但这同时增加丝素蛋白二级结构中的α螺旋结构和无规则卷曲结构，即降低了β结构的数量。因此，如何兼顾丝素蛋白膜的韧性、拉伸强度和压电性，成为本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术一方面提供一种丝素蛋白复合压电薄膜的制备方法，该方法工艺步骤简单易操作，适合规模化制造丝素蛋白复合压电薄膜，同时通过该方法制备得到的丝素蛋白复合压电薄膜各项性能优越，尤其是满足柔性电子器件尤其是柔性压电元件的实际应用需求。
[0006]本专利技术的丝素蛋白复合压电薄膜的制备方法包括以下步骤：将甘氨酸粉末溶解于壳聚糖乙酸溶液中以得到甘氨酸
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壳聚糖复合溶液，其中，所述壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖质量分数为1.5％，所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液中的甘氨酸与壳聚糖的质量比为0.01～5：1；
将丝素蛋白粉末溶解于甲酸
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氯化钙溶液中以得到丝素蛋白质量分数为10％的丝素蛋白溶液；将所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液和所述丝素蛋白溶液以0.1～0.5:1的质量比混合均匀，得到制膜溶液；将在基底上旋涂所述制膜溶液，干燥旋涂于所述基底上的所述制膜溶液，得到丝素蛋白复合薄膜。
[0007]通过这种方式，在丝素蛋白复合薄膜的制备过程中创新性地引入甘氨酸
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壳聚糖溶液这一生物材料，以便在混合旋涂过程中诱导丝素蛋白向β结构方向结晶成膜，而无需额外的醇溶液浸泡或拉伸操作，也不需要在高压下对膜进行复极化，简化了工艺步骤，节省制备成本和制备时间，有利于规模化生产。此外，本专利技术的制备过程保留了对氯化钙的使用，从而保持了氯化钙对丝素蛋白膜在拉伸强度和韧性方面的增强作用，同时由于甘氨酸
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壳聚糖溶液所诱导产生的大量丝素蛋白的β结构，丝素蛋白复合薄膜的压电系数非但不受氯化钙的负面影响，还得到进一步提升，使得通过本专利技术的制备方法所制备得到的丝素蛋白复合薄膜同时在压电系数、拉伸强度和韧性上具有优异表现，符合柔性电子器件的实际需求。
[0008]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，所述壳聚糖乙酸溶液是壳聚糖粉末溶于1v/v％的乙酸溶液制备得到的。
[0009]通过这种方式，使得壳聚糖粉末可以在弱酸环境下保持结构而不发生降解，又可以在酸催化下发生水解，从而使得壳聚糖粉末充分溶解在溶液中。
[0010]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，在将所述甘氨酸粉末溶解于所述壳聚糖乙酸溶液后，还包括在室温下剧烈搅拌所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液0.5小时以上。
[0011]通过这种方式，可以使甘氨酸粉末充分溶解在壳聚糖溶液中，溶液更加均匀。
[0012]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液中的甘氨酸与壳聚糖的质量比为0.8:1。
[0013]通过这种方式，在该比例下，使壳聚糖进一步促进甘氨酸β结构的形成，从而更有效地在后续步骤中诱导丝素蛋白形成β结构。同时，该比例的甘氨酸
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壳聚糖复合溶液不会影响整体薄膜的柔韧性。
[0014]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，所述甲酸
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氯化钙溶液中甲酸的质量分数为70～99％,氯化钙的质量分数为1～30％。
[0015]通过这种方式，可以促进丝素蛋白冻干粉末在该溶解体系下的溶解效率，使得丝素蛋白溶解更加充分。此外，在这样的质量分数下，氯化钙的引入进一步提高制备得到的丝素蛋白复合压电薄膜的拉伸强度和韧性，而不会对其压电常数造成明显的负面影响。
[0016]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液和所述丝素蛋白溶液的质量比为0.2:1。在本文的一些地方，该质量比又称制膜溶液混合比。
[0017]通过这种方式，可以进一步提高制备得到的丝素蛋白复合压电薄膜中的所含的β结构，从而进一步提高其压电常数。
[0018]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，所述基底的材料选自玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0019]通过这种方式，允许丝素蛋白复合压电薄膜容易地从基底剥离而不损害丝素蛋白复合压电薄膜的完整性和表面平整度，从而允许制备得到丝素蛋白复合压电薄膜黏附在某些特定的基底上，以用于不同使用环境。换句话说，实际生产中，丝素蛋白符合压电薄膜可
以由一实体制造，而包含丝素蛋白符合压电薄膜的柔性电子器件或其他电子器件可以由另一实体制造。可以理解的是，在本专利技术的制备方法不损害基底的任何性能的前提下，可以在特定基底上直接通过本专利技术的制备方法制备丝素蛋白符合压电薄膜，省去剥离、存储和运输等中间步骤。也就是说，丝素蛋白符合压电薄膜和包含丝素蛋白符合压电薄膜的柔性电子器件或其他电子器件可以由同一实体制造。
[0020]在本专利技术的一个示例性制备方法实施方式中，所述旋涂的转速为1～1000转/分钟，所述旋涂的持续时间为12000秒。
[0021]通过这种方式，能够进一步促进丝素蛋白的β结构的产生，并且提高丝素蛋白复合压电薄膜的表面平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种丝素蛋白复合压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将甘氨酸粉末溶解于壳聚糖乙酸溶液中以得到甘氨酸
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壳聚糖复合溶液，其中，所述壳聚糖乙酸溶液中壳聚糖质量分数为1.5％，所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液中的甘氨酸与壳聚糖的质量比为0.01～5：1；将丝素蛋白粉末溶解于甲酸
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氯化钙溶液中以得到丝素蛋白质量分数为10％的丝素蛋白溶液；将所述甘氨酸
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壳聚糖复合溶液和所述丝素蛋白溶液以0.1～0.5:1的质量比混合均匀，得到制膜溶液；将在基底上旋涂所述制膜溶液，干燥旋涂于所述基底上的所述制膜溶液，得到丝素蛋白复合薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖乙酸溶液是壳聚糖粉末溶于1v/v％的乙酸溶液制备得到的。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在将所述甘氨酸粉末溶解于所述壳聚糖乙酸溶液后，还包括在室温下剧烈搅拌所述甘氨酸
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【专利技术属性】
技术研发人员：薛茜男，李琦，段学欣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：