CN108303200B - 一种基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子皮肤制备相关技术领域，并公开了一种基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其包括：选择含柔性嵌段的高分子共聚物材料加入交联剂，合成超支化聚合物或者交联定形聚合物；向所合成的聚合物中添加具备力‑电转化特征的功能材料，并使得分散均匀以获得静电纺丝溶液；采用静电纺丝技术使溶液进行静电纺丝和汇集成膜，由此直接获得所需的电子皮肤产品。通过本发明，可在无需使用柔性基板的情况下高质量、高效率制作电子皮肤，而且该产品能够以主动电压的方式高灵敏输出信号以实现力的测试，同时显著提高了表面积和孔径率等特性。
Description
技术领域
本发明属于电子皮肤制备相关技术领域，更具体地，涉及一种基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法。
背景技术
电子皮肤作为一种可以模仿人体皮肤特异功能的可穿戴柔性传感器，在机器人、人工智能、假肢、健康检测和生物医学等多个领域具有极大的应用价值，因而近年来在世界范围内获得了迅猛的发展。尤其是，对于能够高精度测量接触压力的电子皮肤来说，其有着广阔的应用前景，并正成为科学家们重点关注的技术方向之一。
目前用于制备电子皮肤的方式主要是在譬如PDMS(聚二甲基硅氧烷)的柔性基底上通过MEMS、喷印或3D打印等技术制作电极层或压力传感器等，由此获得所需的电子皮肤。例如，CN201310507497.1提出了一种电子皮肤及其制作方法，其中公开了首先在模板表面形成一层有机物分子层，然后继续在其上形成敏感层和支撑层，将热处理固化后的敏感层和支撑层从模板剥离，最后形成上电极层和下电极层；又如，CN201410770984.1提出了一种电子皮肤及其制备方法，其中公开了在双面覆有导电材料的柔性基板上进行刻蚀、沉积形成氧化物薄膜晶体管、压力传感器和温度传感器等。
然而，进一步的研究表明，上述现有制备方式仍然具备以下的缺陷或不足：首先，现有技术中往往不可避免地需要使用到柔性基板，并主要依赖基底的柔韧性和拉伸性来提供电子皮肤的柔弹性，但是对于电极层或各类传感器而言，它们自身的柔韧拉伸性却很低，从而降低了整个电子皮肤的拉伸倍数及限制了其应用范围，同时基底的使用还会导致制造工艺复杂、成本高等问题。其次，对于采用同样材料制造电子皮肤的整个过程来说，其制造工艺实提高灵敏度和感应性能的关键因素，现有技术中的喷印、3D打印或MEMS等方式虽然也具备多方面的优点，但实际工况中发现通常难于形成具备更大表面积和更高孔径率的薄膜。最后，虽然现有技术中也提出了采用静电纺丝技术来制备电子皮肤的方案，例如CN201410016459.0公开了一种采用静电纺丝制备微纳波纹结构的方案、CN201210196840.0公开了一种柔性力敏传感器的制备方法，CN20141055404.2公开了一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件及其制备方法，然而这些早期专利中仍然需要加工下电极、压电材料、上电极及基底等，因此同样会存在以上的技术问题。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进，以便更好地符合现代化制造生产的更高质量和效率需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其中通过选择性将纳米高弹性材料与压电材料复合成一体来配置混合溶液，同时针对性结合静电纺丝技术的特点将其混合溶液在特定条件下直接静电纺丝及汇集成膜，相应不仅可以在整个电子皮肤成型过程中无需使用任何的柔性基板，而且所获得电子皮肤产品能够以主动电压的方式高灵敏输出信号以实现力的测试，同时显著提高了表面积和孔径率等特性，因而尤其适用于各类需要高精度和高效率测量接触压力的电子皮肤制备场合。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)纳米弹性材料的合成
选择含柔性嵌段的高分子共聚物材料加入交联剂，合成超支化聚合物或者交联定形聚合物，并且该聚合物具备纳米颗粒的交联网络结构，相应呈现良好的弹性和恢复力；
(b)静电纺丝溶液的配置
向通过步骤(a)所合成的聚合物中添加具备力-电转化特征的功能材料，该功能材料呈现纳米微球的结构，并均匀分散在所述聚合物之中，由此获得所需的静电纺丝溶液；
(c)静电纺丝及汇集成膜
将通过步骤(b)所获得的静电纺丝溶液注入静电纺丝装置中，并在正、负电压设计为100V～30kV，溶液流量设计为0.01mL/h～10mL/h，接收距离设计为5cm～50cm的工艺条件下，使其静电纺丝汇集成膜，相应在无需柔性基底的情况下直接获得电子皮肤产品。
通过以上构思，充分结合了静电纺丝技术及压敏特征材料各自的特点，开创性提出直接配置纳米复合薄膜来代替柔性基板的使用，相应不仅可显著提高整个成型工艺的效率及降低成本，而且有效克服了现有电子皮肤所存在的柔韧拉伸性偏低、拉伸倍数不足等问题，同时均匀分散在膜体之中的压电材料能够以主动电压的方式输出信号实现力的测试；此外，由于在静电纺丝过程中形成了丝状和球状结构的纳米材料的相互复合，相应所制得的电子皮肤与现有产品相比具备更大的表面积和更高的孔径率，进而显著提高了同种材料制造电子皮肤的灵敏度和感应性能。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，力-电转化功能材料占静电纺丝溶液中聚合物的质量分数按以下范围进行配置：5％～95％。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，优选采用机械搅拌和超声振动的方式使得所述功能材料均匀分散在所述聚合物之中。
作为进一步优选地，所述含柔性嵌段的高分子共聚物材料优选包括聚四氢呋喃、聚乙二醇、聚丙二醇等含端羟基或氨基的聚醚类化合物；所述交联剂优选包括含有三个及三个以上官能团的异氰酸酯类化合物或者环氧；所述具备力-电转化特征的功能材料优选包括聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯等类似聚合物。
作为进一步优选地，在步骤(c)之后，优选还包括以下步骤：
(d)电路的设计和电镀
在通过步骤(c)所形成的纤维薄膜的两面，分别镀上不同的电路并形成经纬交叉线，由此定位电子皮肤的受力大小及位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、其不仅可以在整个电子皮肤成型过程中无需使用任何的柔性基板，而且所获得电子皮肤产品能够以主动电压的方式高灵敏输出信号以实现力的测试，由于其低成本、高柔性和生物相容性，因而在电能与机械之间的能量转换应用中具有重要的应用前景；
2、通过对静电纺丝溶液中作为关键组分的材质在组分及形状特性等方面进行设计，较多的实际测试表明，能够显著提高所获得的纤维薄膜的表面积和孔径率等特性，因而尤其适用于各类需要高精度和高效率测量接触压力的电子皮肤制备场合。
附图说明
图1是按照本发明的基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法的工艺流程图；
图2是用于示范性显示按照本发明所获得的电子皮肤结构的电镜扫描示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法的工艺流程图。如图1中所示，该方法主要包括以下的操作步骤：
首先，是纳米弹性材料的合成步骤。
在该步骤中，可选择含柔性嵌段的高分子共聚物材料加入交联剂，合成超支化聚合物或者交联定形聚合物，并且该聚合物具备纳米颗粒的交联网络结构，相应呈现良好的弹性和恢复力。
更具体地，譬如可选择多种分子量分布的聚四氢呋喃作为柔性嵌段，以含有多官能团的化合物作为交联剂，由此合成超支化聚合物或交联定形聚合物，这些高分子的聚合物当拉伸或按压时，由于高分子的交联网络结构支撑作用使其有很强的记忆恢复力，能够迅速恢复到原来的形状，使其具有很好的弹性。
接着，是静电纺丝溶液的配置步骤。
在该步骤中，向所合成的聚合物中添加具备力-电转化特征的功能材料，该功能材料呈现纳米微球的结构，并均匀分散在所述聚合物之中，由此获得所需的静电纺丝溶液。
更具体地，譬如可引入聚偏二氟乙烯作为功能材料，将粒径分布均匀的功能材料纳米微球按一定比例加入高弹性高分子聚合物中，机械搅拌并超声振动，获得均匀分散的新型纳米复合功能材料。
接着，是静电纺丝及汇集成膜步骤。
将所获得的静电纺丝溶液注入静电纺丝装置中，并在正、负电压设计为100V～30kV，溶液流量设计为0.1mL/h～10mL/h，接收距离设计为5cm～50cm的工艺条件下，使其静电纺丝和汇集成膜，相应在无需柔性基底的情况下直接获得电子皮肤产品。
此外，作为选择，还可以在所形成的膜体两面，譬如使用银纳米线镀上不同的电路，形成经纬交叉线，来定位电子皮肤受力的大小及位置。如图2所示，所获得的电子皮肤有效克服了韧拉伸性偏低、拉伸倍数不足等问题，同时均匀分散在膜体之中的压电材料能够以主动电压的方式输出信号实现力的测试，同时与现有产品相比具备更大的表面积和更高的孔径率。
综上，本发明开创性提出了将多功能柔韧拉伸材料和力电转化功能材料直接复合成静电纺丝溶液，将力-电转化功能材料均匀分散到高弹性和定型定形相态变化的高分子，利用其压敏特性，将材料能够把机械力转换成电能，以主动电压的方式输出信号实现力的测试。同时，采用静电纺丝工艺形成丝状与球状结构，具有大的表面积和高的孔径率薄膜，提高了同种材料制造电子皮肤的灵敏度和感应性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于静电纺丝技术的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)纳米弹性材料的合成
选择含柔性嵌段的高分子共聚物材料加入交联剂，合成超支化聚合物或者交联定形聚合物，并且该聚合物具备纳米颗粒的交联网络结构，相应呈现良好的弹性和恢复力；
(b)静电纺丝溶液的配置
向通过步骤(a)所合成的聚合物中添加具备力-电转化特征的功能材料，该功能材料呈现纳米微球的结构，并均匀分散在所述聚合物之中，由此获得所需的静电纺丝溶液；
(c)静电纺丝及汇集成膜
将通过步骤(b)所获得的静电纺丝溶液注入静电纺丝装置中，并在正、负电压设计为100V～30kV，溶液流量设计为0.01mL/h～10mL/h，接收距离设计为5cm～50cm的工艺条件下，使其静电纺丝和汇集成膜，相应在无需柔性基底的情况下直接获得电子皮肤产品。
2.如权利要求1所述的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述具备力-电转化特征的功能材料占静电纺丝溶液中聚合物的质量分数按以下范围进行配置：5％～95％。
3.如权利要求1或2所述的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其特征在于，在步骤(b)中，采用机械搅拌和超声振动的方式使得所述具备力-电转化特征的功能材料均匀分散在所述聚合物之中。
4.如权利要求1或2所述的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其特征在于，所述含柔性嵌段的高分子共聚物材料包括聚四氢呋喃、聚乙二醇、聚丙二醇这些含端羟基或氨基的聚醚类化合物；所述交联剂包括含有三个及三个以上官能团的异氰酸酯类化合物或者环氧；所述具备力-电转化特征的功能材料包括聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或者聚丙烯。
5.如权利要求1或2所述的高弹性主动式电子皮肤成型方法，其特征在于，在步骤(c)之后，还包括以下步骤：
(d)电路的设计和电镀
在通过步骤(c)所形成的纤维薄膜的两面，分别镀上不同的电路并形成经纬交叉线，由此定位电子皮肤的受力大小及位置。
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2018
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| CN108303200A (zh) | 2018-07-20 |
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