[发明专利]一种柔性纳米纤维基电子皮肤及其制备方法

说明书

本发明涉及一种柔性纳米纤维基电子皮肤及其制备方法，属于柔性传感器领域。一种柔性纳米纤维基电子皮肤，其特征在于：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。本发明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，结构单一，工艺简单，能用于工业化生产；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。

技术领域

本发明涉及一种柔性纳米纤维基电子皮肤及其制备方法，属于柔性传感器领域。

背景技术

随着科技的飞速发展，对人工智能机器人以及人形机器人的研究已经被提上日程。而这种人形机器人要模拟的人体皮肤需要具有对低压力具有极高的灵敏性和稳定性。早在2003年，日本东京大学的研究团队利用低分子有机物——并五苯分子制成薄膜，通过其表面密布的压力传感器，实现了电子皮肤感知压力。2004年东京大学首次提出OFET电子皮肤以来，先后有电容式、电阻式、电压式等电子皮肤的成功构建。近年来，纳米技术和纳米材料的高速发展，基于纳米材料和纳米结构的人造电子皮肤具有灵敏度高、响应时间快、稳定性好等优异性能吸引越来越多人的关注。随着谷歌眼镜、索尼头盔显示器及手套式手机等新概念产品的不断涌现，可穿戴设备具有高灵敏度、低能耗、成本低、质量小、携带方便等优点逐渐受到大众的关注和青睐。具有纳米材料、超薄厚度、更轻质量、柔性接近人体皮肤的电子皮肤是构建可穿戴器件最理想的材料。最近Materials Views期刊报道了一种以硅橡胶为支撑层，厚度为50nm单壁碳纳米管膜为导电层的电子皮肤，它对低至0.6Pa的压力可以在0.3ms内快速感应；但该电子皮肤工艺复杂、成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性纳米纤维基电子皮肤及其制备方法，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。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性纳米纤维基电子皮肤，其特征在于：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。

所述柔性纳米纤维为利用熔融法、溶液法或静电纺制备的热塑性纳米纤维(或称热塑性弹性体纳米纤维)；例如：POE(聚烯烃弹性体)、TPE(热塑性弹性体)、TPU(弹性聚胺酯)、TPR(热塑性橡胶)、EVOH(聚乙烯-聚乙烯醇共聚物)等中的一种或多种按任意配比的混合(结合)。

所述导电化处理方法为对柔性纳米纤维进行原位聚合(优选有机物的原位聚合)或化学镀法(金属镀)或物理掺杂(物理共混)；柔性纳米纤维经导电化处理后仍具有清晰的纳米纤维形态，导电成分为金属、有机导电高分子(如：聚吡咯)或碳素材料中一种或多种按任意配比的组合；如：Ag、石墨烯、碳纤维、聚吡咯等中一种或多种按任意配比的组合。

所述柔性纳米纤维膜上的微凹槽或微突起结构为：高度为0.5～10um，底面形状为圆形或矩形的柱体或椎体(也可以是其他非平面结构)，微凹槽或微突起结构的长径比为0.5～10(长指底面的边长或直径，径指形状的高度)，两个相邻的微凹槽或微突起结构间距为0.5～2个底面边长或直径(间距为2个结构的底面边缘之间的距离)。优选多个凸起的圆椎体，每个椎体的的底面直径为10um，椎体高度为10um，两个相邻椎体的间距为10um。

上述一种柔性纳米纤维基电子皮肤的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)纳米纤维悬浮液的制备：使用相应溶剂将柔性纳米纤维在3000～10000r/min速度下剪切50s形成悬浮液，固含量为0.5～2.5％(质量)；例如，EVOH采用质量比为6:4的异丙醇和水，PA6采用质量比为8:2的乙酸和水，POE采用体积比为7:3的正己烷和丙酮；TPE采用纯丙酮，TPU采用纯丙酮；