CN108078543A - 一种高灵敏度电子皮肤的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高灵敏度电子皮肤，具有聚乙烯醇‑银纳米线/石墨烯‑PDMS三明治结构，通过喷涂的方式在PET基材表面形成一层相互交叠堆积的银纳米线导电网络，之后再在银纳米线网络上均匀喷涂分散一层由大片石墨烯和小片石墨烯混合的石墨烯，这些石墨烯沉积在银纳米线网络之间或联通相邻的银纳米线，进一步增强导电网络的导电性能，之后，使用旋涂的方式在上述导电网络表面旋涂一层聚乙烯醇溶液作为电子皮肤的基体，最后，待聚乙烯醇干燥后，将复合膜从PET薄膜上分离开，将该复合膜转移到烘箱中，翻转表面，在与PET接触的一面蒸镀一层PDMS薄膜，这样就可以得到一种三明治结构的电子皮肤。

Description

一种高灵敏度电子皮肤的制备方法
技术领域
本发明涉及一种新材料领域，具体涉及一种高灵敏度电子皮肤的制备方法。
背景技术
目前，随着智能技术的日益发展，其与社会，人类生产、生活的结合越来越紧密，对我们的影响日渐加深，毫无疑问，智能技术，尤其是电子皮肤在医疗领域将会大放异彩，比如，通过一些可穿戴设备植入我们的衣服、皮肤等部位，就可以实现对自身生理参数的实时监控，实现对于我们的健康指数随时做到联网并及时预测、报警等功能。
为了实现上述可穿戴设备的早日应用，目前各国科学家对此进行了深入广泛的研究，其中，以斯坦福大学鲍哲南教授的相关研究最为有名，其在2016年7月4日公开的《自然材料》（Nature Materials）上撰写综述性文章，详细介绍了来自人体的生物启发—电子皮肤，通过对其机械性能的研究，实现类似皮肤的感知功能，进而，将这些感知到的信号转变了相应的基体反应，对此，使用了相应的编码方式进行处理仿生信号，此外，还介绍了人工电子皮肤可能的备选材料，最后，总结到人工电子皮肤具有极大的市场潜力，比如对截止或皮肤受损患者具有极其重要的意义。
国内在这一领域的研究也充满了竞争，比如中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室沈国震课题组近日在《纳米能源》（Nano Energy）上以“Ultrasensitive andultraflexible e-skins with dual functionalities for wearable electronics”为题发表了一篇关于电子皮肤用于可穿戴设备的研究工作，其开发出一种可以直接贴附在人体表面的超薄柔性电子皮肤阵列，这种电子皮肤通过引入聚合物中空球纳米结构，实现对环境压力的超高灵敏探测，可用于对人体脉搏、语音、呼吸、体表温度等生理信号实现快速监控，此外，这种材料具有很好的负温阻效应，其还可以实现对环境温度的高效响应，但是这种方法需要用到半导体加工及转印的相关工艺，这对其大规模的生产制备极其不利，使得制造成本太高，无法满足市场要求。
此外，中国专利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30~500um，其中，相贴合的两面中，至少一面具有微凹槽或微突起结构。其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；兼具敏感层和导电级的作用；具有很好的生物相容性，故能很好的与人体皮肤融为一体，便于构筑成可穿戴器件；加之用于本发明中的电子皮肤独特的纳米结构使得该设备具有的灵敏度更高、稳定性更好；再者整个器件轻小灵巧具有携带方便的优点；但是该方法需要制备模板，对模板也有较高的要求，需要具有凹槽或微突起结构，且脱模是容易损坏制备的样品。
发明内容
本发明为了解决目前制备电子皮肤工艺复杂，成本较高的技术问题，通过大量的研究试验后，现提出一种可以高效大规模实现高灵敏度电子皮肤的制备方法，这种方法能够快速实现工业化生产，且制备的电子皮肤具有较好的性能。
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案，首先，配制电子皮肤功能性结构单元溶液A；其次，配制电子皮肤的基体结构单元溶液B；再次，配制电子皮肤上表层结构单元体C，最后，将溶液A、B、C组合，即可得到一种高灵敏度电子皮肤。具体的来说，是通过如下的方案来实现，步骤S1，配制银纳米线溶液，其中，银纳米线选择为长径比大于1000，且直径小于35nm的高品质银纳米线；配制石墨烯溶液，其中，石墨烯选择为大片石墨烯和小片石墨烯按质量比2:1掺和而成；步骤S2，使用聚合物高分子作为电子皮肤的基体结构单元，如使用聚乙烯醇（PVA）做基体结构单元，配制合适浓度的PVA溶液；步骤S3，使用具有化学稳定性较好，机械性能优异的聚合物做电子皮肤上表层结构单元体，如使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过蒸镀的方式实现电子皮肤上表层结构单元的制备；步骤S4，通过旋涂的方式实现上述功能单元的组织，得到一种具有三明治结构的电子皮肤。
通过对该电子皮肤的机械性能、电学性能的性能测试，首先，我们研究了功能结构单元含量与电子皮肤电导率之间的关系，我们发现，对于通过旋涂的方式得到的电子皮肤，在其功能结构单元含量（Mf）为0.1%时，电导率为5*10-6S/m，当功能结构单元含量（Mf）增加到5%时，其电导率为8*105S/m，且此时的电子皮肤具有很好的光透光性，这说明使用这种方法制备的电子皮肤具有较好的电学性能和光学性能，由于我们采用聚乙烯醇作为基体结构单元，这使得制备的电子皮肤具有很好的机械性能，此时，为了进一步验证这种电子皮肤具有潜在的市场价值，我们又对其电灵敏性能进行了测试，我们采用国际通用的量规因数（gauge factor，G）来定义其电学灵敏度，其表示电阻变化率与应变之间的关系，相应的G值越高，则表明电子皮肤的电学灵敏度越好，通过对我们制备的材料的性能测试，我们发现，其形变可以达到200%以上，G值高达25。
本发明的原理在于，首先，通过喷涂的方式在PET基材表面形成一层相互交叠堆积的银纳米线导电网络，之后再在银纳米线网络上均匀喷涂分散一层由大片石墨烯和小片石墨烯混合的石墨烯，这些石墨烯沉积在银纳米线网络之间或联通相邻的银纳米线，进一步增强导电网络的导电性能，之后，使用旋涂的方式在上述导电网络表面旋涂一层聚乙烯醇溶液作为电子皮肤的基体，最后，待聚乙烯醇干燥后，将复合膜从PET薄膜上分离开，将该复合膜转移到烘箱中，翻转表面，在与PET接触的一面蒸镀一层PDMS薄膜，这样就可以得到一种三明治结构的电子皮肤，由于该电子皮肤使用银纳米线和混合石墨烯做导电基元，这使得其在变形时，由于导电基元之间的相对位移更容易发生，进而，表现出高灵敏度。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明首先使用高品质的银纳米线和石墨烯混合料做导电结构基元，不同于以往的单一组元，并使用喷涂和旋涂的方式得到复合膜之后，在一定温度下使用蒸发沉积的方式最终得到三明治结构的电子皮肤；该电子皮肤具有很好的导电性能、机械性能和电灵敏度。
附图说明
图1 本发明三明治结构电子皮肤的扫描电子显微图片；
图2 本发明三明治结构电子皮肤的电灵敏度测试图。
具体实施例
实施例1
先配制浓度为0.01mg/ml的高品质银纳米线乙醇溶液，在加热台上固定一片耐高温PET薄膜，使用喷枪在PET表面喷涂一层银纳米线导电网络，之后，再配制浓度为0.01mg/ml的大片与小片石墨烯的混合溶液，同样使用喷涂的方式将石墨烯沉积在上述银纳米线导电网络表面，得到石墨烯均匀覆盖的银纳米线导电层，接着，使用旋涂的方式，在上述导电层表面旋涂一层聚乙烯醇聚合物，待聚合物干燥后，使用镊子从PET表面将该导电结构与PET薄膜分离，最后，将该导电结构转移到烘箱中，在其表面蒸镀一层PDMS，冷却至室温后，即可得到三明治结构电子皮肤。
实施例2
先配制浓度为0.2mg/ml的高品质银纳米线乙醇溶液，在加热台上固定一片耐高温PET薄膜，使用喷枪在PET表面喷涂一层银纳米线导电网络，之后，再配制浓度为0.05mg/ml的大片与小片石墨烯的混合溶液，同样使用喷涂的方式将石墨烯沉积在上述银纳米线导电网络表面，得到石墨烯均匀覆盖的银纳米线导电层，接着，使用旋涂的方式，在上述导电层表面旋涂一层聚乙烯醇聚合物，待聚合物干燥后，使用镊子从PET表面将该导电结构与PET薄膜分离，最后，将该导电结构转移到烘箱中，在其表面蒸镀一层PDMS，冷却至室温后，即可得到三明治结构电子皮肤。
实施例3
先配制浓度为0.5mg/ml的高品质银纳米线乙醇溶液，在加热台上固定一片耐高温PET薄膜，使用喷枪在PET表面喷涂一层银纳米线导电网络，之后，再配制浓度为0.1mg/ml的大片与小片石墨烯的混合溶液，同样使用喷涂的方式将石墨烯沉积在上述银纳米线导电网络表面，得到石墨烯均匀覆盖的银纳米线导电层，接着，使用旋涂的方式，在上述导电层表面旋涂一层聚乙烯醇聚合物，待聚合物干燥后，使用镊子从PET表面将该导电结构与PET薄膜分离，最后，将该导电结构转移到烘箱中，在其表面蒸镀一层PDMS，冷却至室温后，即可得到三明治结构电子皮肤。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种高灵敏度电子皮肤，其特征在于：所述电子皮肤具有聚乙烯醇-银纳米线/石墨烯-PDMS三明治结构，其中，聚乙烯醇使用旋涂的方式复合，银纳米线/石墨烯使用喷涂的方式复合，PDMS使用蒸镀的方式复合。
2.一种如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于：首先使用喷涂的方式在PET薄膜表面喷涂一层银纳米线导电网络，再在该导电网络上喷涂一层石墨烯，之后，使用旋涂的方式在上述导电层表面上复合一层聚乙烯醇，最后，将从PET薄膜上分离后的导电结构转移值烘箱中蒸镀一层PDMS，即可得到三明治结构的电子皮肤。
3.一种如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于：喷涂的银纳米线浓度为0.01-0.5mg/ml的醇溶液，所述的醇为乙醇、甲醇或异丙醇中的一种。
4.一种如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于：喷涂的石墨烯为大片石墨烯和小片石墨烯的混合物，其中大片石墨烯和小片石墨烯的质量比为1:1。
5.一种如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述旋涂是在转速为180-500rpm下进行。
6.一种如权利要求1所述的高灵敏度电子皮肤的制备方法，其特征在于：所述喷涂是指使用手工喷枪，喷头直接为0.04mm，加热台温度为80-120℃。
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