[發明專利]一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法

有效

• 申請號: 201610030975.8
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105671962B
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發明（設計）人: 王棟;王躍丹;吳永智;鐘衛兵;劉瓊珍;卿星
• 申請（專利權）人: 武漢紡織大學
• 主分類號: D06M15/37
• 分類號: D06M15/37;D06M11/83;B32B27/02;B32B27/12;B32B27/18;B32B27/30;B32B27/32;B32B27/40;B32B25/00;B32B37/15;B32B3/30
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本發明涉及一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法，屬于柔性傳感器領域。一種柔性納米纖維基電子皮膚，其特征在于：該電子皮膚由兩層導電化處理過的柔性納米纖維膜貼合而成，柔性納米纖維膜的厚度為30～500um，其中，相貼合的兩面中，至少一面具有微凹槽或微突起結構。本發明可以解決現有技術中工作電壓高、功耗大及靈敏度低的問題；兼具敏感層和導電級的作用，結構單一，工藝簡單，能用于工業化生產；具有很好的生物相容性，故能很好的與人體皮膚融為一體，便于構筑成可穿戴器件；加之用于本發明中的電子皮膚獨特的納米結構使得該設備具有的靈敏度更高、穩定性更好；再者整個器件輕小靈巧具有攜帶方便的優點。

技術領域

本發明涉及一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法，屬于柔性傳感器領域。

背景技術

隨著科技的飛速發展，對人工智能機器人以及人形機器人的研究已經被提上日程。而這種人形機器人要模擬的人體皮膚需要具有對低壓力具有極高的靈敏性和穩定性。早在2003年，日本東京大學的研究團隊利用低分子有機物——并五苯分子制成薄膜，通過其表面密布的壓力傳感器，實現了電子皮膚感知壓力。2004年東京大學首次提出OFET電子皮膚以來，先后有電容式、電阻式、電壓式等電子皮膚的成功構建。近年來，納米技術和納米材料的高速發展，基于納米材料和納米結構的人造電子皮膚具有靈敏度高、響應時間快、穩定性好等優異性能吸引越來越多人的關注。隨著谷歌眼鏡、索尼頭盔顯示器及手套式手機等新概念產品的不斷涌現，可穿戴設備具有高靈敏度、低能耗、成本低、質量小、攜帶方便等優點逐漸受到大眾的關注和青睞。具有納米材料、超薄厚度、更輕質量、柔性接近人體皮膚的電子皮膚是構建可穿戴器件最理想的材料。最近Materials Views期刊報道了一種以硅橡膠為支撐層，厚度為50nm單壁碳納米管膜為導電層的電子皮膚，它對低至0.6Pa的壓力可以在0.3ms內快速感應；但該電子皮膚工藝復雜、成本較高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種柔性納米纖維基電子皮膚及其制備方法，可以解決現有技術中工作電壓高、功耗大及靈敏度低的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種柔性納米纖維基電子皮膚，其特征在于：該電子皮膚由兩層導電化處理過的柔性納米纖維膜貼合而成，柔性納米纖維膜的厚度為30～500um，其中，相貼合的兩面中，至少一面具有微凹槽或微突起結構。

所述柔性納米纖維為利用熔融法、溶液法或靜電紡制備的熱塑性納米纖維(或稱熱塑性彈性體納米纖維)；例如：POE(聚烯烴彈性體)、TPE(熱塑性彈性體)、TPU(彈性聚胺酯)、TPR(熱塑性橡膠)、EVOH(聚乙烯-聚乙烯醇共聚物)等中的一種或多種按任意配比的混合(結合)。

所述導電化處理方法為對柔性納米纖維進行原位聚合(優選有機物的原位聚合)或化學鍍法(金屬鍍)或物理摻雜(物理共混)；柔性納米纖維經導電化處理后仍具有清晰的納米纖維形態，導電成分為金屬、有機導電高分子(如：聚吡咯)或碳素材料中一種或多種按任意配比的組合；如：Ag、石墨烯、碳纖維、聚吡咯等中一種或多種按任意配比的組合。

所述柔性納米纖維膜上的微凹槽或微突起結構為：高度為0.5～10um，底面形狀為圓形或矩形的柱體或椎體(也可以是其他非平面結構)，微凹槽或微突起結構的長徑比為0.5～10(長指底面的邊長或直徑，徑指形狀的高度)，兩個相鄰的微凹槽或微突起結構間距為0.5～2個底面邊長或直徑(間距為2個結構的底面邊緣之間的距離)。優選多個凸起的圓椎體，每個椎體的的底面直徑為10um，椎體高度為10um，兩個相鄰椎體的間距為10um。

上述一種柔性納米纖維基電子皮膚的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

1)納米纖維懸浮液的制備：使用相應溶劑將柔性納米纖維在3000～10000r/min速度下剪切50s形成懸浮液，固含量為0.5～2.5％(質量)；例如，EVOH采用質量比為6:4的異丙醇和水，PA6采用質量比為8:2的乙酸和水，POE采用體積比為7:3的正己烷和丙酮；TPE采用純丙酮，TPU采用純丙酮；