CN109029508B - 具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤及其制备方法，属于柔性传感器技术领域。该柔性电子皮肤由纳米纤维膜、不完全覆盖在纳米纤维膜表面的导电涂层组成，导电涂层以闭合的线型或/和不闭合的线型负载在纳米纤维膜表面，纳米纤维膜为具备多孔结构的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。本发明设计的电子皮肤在保证其自身优异的拉力/压力传感性能的基础上，由于聚烯烃纳米纤维膜特有的三维多孔结构、弹性及红外透过性能，以及导电涂层未完全覆盖的设计方式，保证了由其制备所得的电子皮肤具备良好的柔韧性、透气、透湿及热调节性能。

Description

具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性电子皮肤，属于柔性传感器技术领域，具体地涉及一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤及其制备方法。
背景技术
近年来，随着科技的飞速发展，电子科学与技术与医学领域交叉融合诞生出了一种有望替换人体皮肤的新型传感器-电子皮肤，从科学的角度来将，电子皮肤就是一种新型可穿戴仿生触觉传感器，它能够实现人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。
现有的柔性电子皮肤基底大多数采用PDMS薄膜，如中国发明专利申请(申请公布号：CN108078543A，申请公布日：2018-05-29)公开了一种高灵敏度电子皮肤的制备方法，该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基材的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，这样就得到了一种三明治结构的电子皮肤。
又如中国发明专利申请(申请公布号：CN107778480A，申请公布日：2018-03-09)公开了一种柔性电子皮肤传感器及其制备方法，其中，柔性电子皮肤传感器包括若干压力传感单元；压力传感单元由两片柔性且可伸缩的超薄PDMS膜、分别贴附于两片超薄PDMS膜之间的两片电极，以及设置于两片电极之间的复合压力传感器膜组成；复合压力传感膜由若干聚苯胺中空纳米球和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球的多壁碳纳米管组成，各压力传感单元利用等离子体处理机，并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感列阵。
其中，上述两件申请的柔性电子皮肤的基底为PDMS薄膜，而PDMS薄膜存在透气、透湿及热调节性能差的问题。
再如中国发明专利申请(申请公布号：CN107913067A，申请公布日：2018-04-17)公开了一种基于天然纤维素纳米纤维的电子皮肤及其制备方法，通过采用抽滤或静电吸附法将碳纳米管、石墨烯、银纳米线等导电纳米材料固定在细菌纤维素(BC)纳米纤维膜上赋予纤维膜导电特性；将作为介电层的聚乙烯薄膜置于两片厚度均一的导电BC纳米纤维膜中间构成微型可拉伸、可压缩电容器，即制备得到基于天然纤维素纳米纤维的电子皮肤。本申请的优点是为寻找替换合成高聚物的生物相容性更好的电子皮肤提供了技术支持，缺点是天然纤维素纳米纤维膜在表面吸附导电纳米材料以后，其透气、透湿及热调节性能大大降低，同时该申请的制备工序复杂，不利于产业化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种工艺简单、成本低廉、适宜工业化生产的具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤及其制备方法。
为实现上述目的，本发明公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，它由纳米纤维膜、负载在所述纳米纤维膜表面的具备特定形状的导电涂层组成，所述导电涂层以不完全覆盖所述纳米纤维膜表面的方式设置在所述纳米纤维膜的表面，所述纳米纤维膜为具备多孔结构的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
进一步地，所述特定形状由闭合的线型或/和不闭合的线型组成。
进一步地，所述特定形状由闭合的线型组成。
进一步地，所述闭合的线型包括圆环形、圆形或多边形中的一种。
最优的，所述闭合的线型为圆环形。
最优的，在纳米纤维膜表面负载至少1个圆环形的导电涂层。
最优的，所述闭合的线型为圆形。
最优的，所述闭合的线型为方形。
进一步地，所述特定形状由不闭合的线型组成。
进一步地，所述不闭合的线型包括曲线型、折线型或直线型中的一种。
最优的，所述不闭合的线型为折线型，在纳米纤维膜的表面负载至少1个折线型导电涂层。
最优的，在纳米纤维膜表面负载若干个折线型导电涂层，所有的折线型导电涂层以矩阵方式排列，每相邻两个折线型导电涂层之间留有间距。
最优的，所述不闭合的线型为蛇形，在纳米纤维膜的表面负载至少1个蛇形导电涂层。
最优的，所述不闭合的线型为直线形，在纳米纤维膜的表面负载至少1个直线形导电涂层。
本发明通过丝网刷或模板印刷法印法，以不完全覆盖的方式印在纳米纤维膜的表面，避免堵塞纳米纤维膜的通道，以保证透气、透湿通道及热调节性能，同时具备特定形状的导电涂层由于在内部具备导电通路，能够保证在纳米纤维膜的表面顺利导电。
进一步地，所述纳米纤维膜的厚度为30～150μm，所述导电涂层的厚度为40～120μm，能够保证其在透气、透湿及热调节性能的基础上，实现良好的导电及拉力/应力传感性。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为30μm，所述导电涂层的厚度为40μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为40μm，所述导电涂层的厚度为45μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为60μm，所述导电涂层的厚度为50μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为90μm，所述导电涂层的厚度为60μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为110μm，所述导电涂层的厚度为80μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为120μm，所述导电涂层的厚度为95μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为135μm，所述导电涂层的厚度为110μm。
最优的，所述纳米纤维膜的厚度为150μm，所述导电涂层的厚度为120μm。
进一步地，所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径在500～700nm，孔径分布为50～750nm，因此，弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜本不吸收中红外线，从而对人体中红外线辐射具有良好透过性，同时，弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的三维多孔结构保证了人体皮肤表面水蒸气及其他气体的透过，因此，该柔性电子皮肤具有良好的透气、透湿及热调节性能。
优选的，所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径在610～680nm，孔径分布为100～600nm。
最优的，所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径在620nm，孔径分布为150nm。
最优的，所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径在620nm，孔径分布为200nm。
最优的，所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径在650nm，孔径分布为350nm。
最优的，所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径在660nm，孔径分布为500nm。
进一步地，所述导电涂层的材质为导电银浆、金属纳米线、碳纳米管或石墨烯中的一种。
优选的，所述金属纳米线包括银纳米线、铜纳米线、铁纳米线、钴纳米线或氧化锌纳米线。
最优的，所述导电涂层的材质为导电银浆。
最优的，所述导电涂层的材质为银纳米线。
最优的，所述导电涂层的材质为铜纳米线。
为了更好的实现本发明的技术目的，本发明还公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，它包括采用离心纺丝、静电纺丝、熔融纺丝或湿法纺丝中的一种制备厚度为30～150μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜，再将导电材料按照不完全覆盖膜表面的特定形状涂覆或包覆在所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的表面，干燥，得到导电涂层厚度为40～120μm的柔性电子皮肤。
进一步地，制备弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的具体过程如下：
先采用离心纺丝、静电纺丝、熔融纺丝或湿法纺丝中的一种制备聚烯烃共聚物纳米纤维,进一步地利用有机溶剂如异丙醇和去离子水的混合物、***、叔丁醇、丙酮或异丁醇中的一种，在超高速剪切作用下制备稳定均匀的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，制备弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
进一步地，采用气相沉积、磁控溅射、电镀法、物理涂覆或真空蒸镀中的一种将导电材料按照不完全覆盖膜表面的特定形状涂覆或包覆在所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的表面,其中，导电涂层不能完全覆盖纳米纤维膜表面，有利于保证纳米纤维膜的透气性、透湿通道及热调节性能。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明设计的电子皮肤采用的基体材料聚烯烃共聚物纳米纤维膜既具备弹性，又不吸收中红外线，而且聚烯烃共聚物纳米纤维膜的内部具备三维多孔结构，同时，采用不完全覆盖的设计方式将导电涂层负载在聚烯烃共聚物纳米纤维膜表面，在保证由其制备所得的柔性电子皮肤自身具备优异的拉力/压力传感性能的基础上，还对人体中红外线辐射具有良好透过性及优异的透气、透湿及热调节性能，提高了可穿戴柔性电子皮肤的舒适性及安全性，在可穿戴电子器件领域具有巨大的应用潜力；
2、本发明设计的制备方法通过将导电涂层按照特定形状分布在纳米纤维膜的表面，设计方法简单常规，适宜工业化生产。
附图说明
图1为本发明柔性电子皮肤的俯视图；其中，图1中标号如下：
纳米纤维膜1、导电涂层2。
具体实施方式
本发明公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，它由纳米纤维膜、负载在所述纳米纤维膜表面的具备特定形状的导电涂层组成，所述导电涂层以不完全覆盖所述纳米纤维膜表面的方式设置在所述纳米纤维膜的表面，具体的，导电涂层的特定形状由闭合的线型或/和不闭合的线型组成，优选的，所述闭合的线型包括圆环形、圆形或多边形中的一种，所述不闭合的线型包括直线型、曲线型或折线型，进一步的优选导电涂层为折线型，如图1所示，优选柔性电子皮肤由纳米纤维膜1，及负载在所述纳米纤维膜1表面的折线型导电涂层2组成，对该柔性电子皮肤进行压力传感测试，测试结果发现，所述柔性电子皮肤的最低检测拉伸形变下限是0.05％，施加应力时的响应时间为10ms，撤出应力时的响应时间为20ms，故该具备折线型导电涂层的纳米纤维膜制作成的柔性电子皮肤具备较好的对压力响应的能力；与此同时，由于折线型导电涂层以不完全覆盖方式负载在纳米纤维膜的表面，保留了纳米纤维膜向外传热、透湿及热调节的能力。
本发明还优选所述纳米纤维膜为具备多孔结构的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜，其中，弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的水蒸气透过率是2840g/m2·d，将弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)15min之后，弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜下的皮肤水分是40％、温度是34℃，而超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃，这表明采用本发明的纳米纤维膜，其透气、透湿及热调节功能更好。
为了更好地解释本发明，以下结合具体的制备方法进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例的制备方法。
实施例1
本实施例公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，具体制备过程如下：
称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为35μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
采用物理涂覆将具备导电性能的导电银浆材料按照所设计的蛇形涂覆或包覆在上述制备的纳米纤维膜表面，烘干，得到导电涂层的厚度为40μm，即最终得到具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤的水蒸气透过率是2805g/m2·d，将柔性电子皮肤和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)15min之后，柔性电子皮肤下的皮肤水分是41％、温度是34.03℃，超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃。
实施例2
本实施例公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，具体制备过程如下：
称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为60μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
采用物理涂覆将具备导电性能的银纳米线材料按照所设计的环形涂覆或包覆在上述制备的纳米纤维膜表面，烘干，得到导电涂层的厚度为45μm，即最终得到具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤的水蒸气透过率是2783g/m2·d，将柔性电子皮肤和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)上15min之后，柔性电子皮肤下的皮肤水分是42％、温度是34.16℃，超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃。
实施例3
本实施例公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，具体制备过程如下：
称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为80μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
采用物理涂覆将具备导电性能的铜纳米线材料按照所设计的曲线形涂覆或包覆在上述制备的纳米纤维膜表面，烘干，得到导电涂层的厚度为60μm，即最终得到具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤的水蒸气透过率是2612g/m2·d，将柔性电子皮肤和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)上15min之后，柔性电子皮肤下的皮肤水分是43％、温度是34.28℃，超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃。
实施例4
本实施例公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，具体制备过程如下：
称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为90μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
采用物理涂覆将具备导电性能的碳纳米管材料按照所设计的直线形涂覆或包覆在上述制备的纳米纤维膜表面，烘干，得到导电涂层的厚度为75μm，即最终得到具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤的水蒸气透过率是2563g/m2·d，将柔性电子皮肤和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)上15min之后，柔性电子皮肤下的皮肤水分是44％、温度是34.34℃，超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃。
实施例5
本实施例公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，具体制备过程如下：
称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为100μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
采用物理涂覆将具备导电性能的石墨烯材料按照所设计的方形涂覆或包覆在上述制备的纳米纤维膜表面，烘干，得到导电涂层的厚度为80μm，即最终得到具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤的水蒸气透过率是2440g/m2·d，将柔性电子皮肤和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)上15min之后，柔性电子皮肤下的皮肤水分是45％、温度是34.36℃，超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃。
实施例6
本实施例公开了一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，具体制备过程如下：
称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为120μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
采用气相沉积将具备导电性能的铁纳米线材料按照所设计的方形涂覆或包覆在上述制备的纳米纤维膜表面，烘干，得到导电涂层的厚度为108μm，即最终得到具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤的水蒸气透过率是2335g/m2·d，将柔性电子皮肤和超薄PDMS膜分别覆盖人体皮肤(水分39％、温度33.8℃)上15min之后，柔性电子皮肤下的皮肤水分是46％、温度是34.38℃，超薄PDMS膜下的皮肤水分是47％、温度是34.4℃。
由上述实施例可知，本发明设计的柔性电子皮肤在保证其自身优异的拉力/压力传感性能的基础上，由于聚烯烃纳米纤维膜特有的三维多孔结构、弹性及红外透过性能，导电涂层未完全覆盖的设计方式，保证了由其制备所得电子皮肤具有良好的柔韧性、透气、透湿及热调节性能，故其在智能穿戴领域具备较好的应用前景。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，其特征在于：它由纳米纤维膜、负载在所述纳米纤维膜表面的具备特定形状的导电涂层组成，所述导电涂层以不完全覆盖所述纳米纤维膜表面的方式设置在所述纳米纤维膜的表面，所述纳米纤维膜为具备多孔结构的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜；所述特定形状由闭合的线型或/和不闭合的线型组成；所述柔性电子皮肤具备拉力/压力传感性能，其最低检测拉伸形变下限是0.05%：所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的纳米纤维直径为500～700nm，孔径分布为50～750nm，此种结构不吸收中红外线，还对人体中红外线辐射具有良好透过性；三维多孔结构保证人体皮肤表面水蒸气的透过，从而赋予该柔性电子皮肤透气、透湿及热调节性能；
所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的制备方法为：称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为30～150μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
2.根据权利要求1所述具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，其特征在于：所述闭合的线型包括圆环形、圆形或多边形中的一种，所述不闭合的线型包括直线型、曲线型或折线型中的一种。
3.根据权利要求1所述具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，其特征在于：所述导电涂层的厚度为40～120μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤，其特征在于：所述导电涂层的材质为导电银浆、金属纳米线、碳纳米管或石墨烯中的一种。
5.一种权利要求1所述具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：它包括采用离心纺丝、静电纺丝、熔融纺丝或湿法纺丝中的一种制备厚度为30～150um的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜，再将导电材料按照不完全覆盖膜表面的特定形状涂覆或包覆在所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的表面，干燥，得到导电涂层厚度为40～120μm的柔性电子皮肤；
所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的制备方法为：称取3～5g弹性聚烯烃热塑性弹性体纳米纤维，采取超高速剪切作用将其分散在800～1000mL的有机溶剂***当中，得到弹性纳米纤维悬浮液，然后利用高压气流成型技术，取40～80mL弹性纳米纤维悬浮液喷涂，制备厚度为30～150μm的弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜。
6.根据权利要求5所述具有透气、透湿及热调节性能的柔性电子皮肤的制备方法，其特征在于：采用气相沉积、磁控溅射、电镀法、物理涂覆或真空蒸镀中的一种将导电材料按照不完全覆盖膜表面的特定形状涂覆或包覆在所述弹性聚烯烃共聚物纳米纤维膜的表面。
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