[发明专利]一种透明的高电导率柔性可穿戴电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种透明的高电导率柔性可穿戴电极及其制备方法，本发明以银纳米线为导电材料，以聚偏二氟乙烯(PVDF)透明薄膜为柔性基底，银纳米线镶嵌于PVDF薄膜表面，提升了柔性电极的耐久性。其中，银纳米线由可大规模生产的乙二醇/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)体系制备而得，在柔性电极成膜的同时，包裹在银纳米线表面的PVP层被有效地去除，降低了银纳米线与银纳米线之间的接触电阻，从而提高了柔性电极的电导率。本发明银纳米线电导率的提高不需要前期以及后期处理，过程简单，成本低廉。本发明柔性可穿戴电极的基底具有生物兼容性，可用生物体内的可穿戴电子设备的应用；本发明柔性可穿戴电极具有较高的透明度和高电导率，可用于可穿戴光电器件中。

技术领域

本发明属于可穿戴器件领域，特别涉及一种透明的高电导率柔性可穿戴电极及其制备方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网和智能终端的快速发展，柔性可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。作为核心部件之一的柔性可穿戴电子传感器，以其便携性、舒适性和高度集成等特点已经成为当今的研究热点。柔性电极是柔性可穿戴电子传感器的基本结构单元，它不是传统意义上的金属导线制品，而是集电路和柔性或可延展性基底于一体的新材料，具有耐弯折、耐摩擦、可缠绕等特点，能稳定地工作在强腐蚀环境下。它涉及到柔性光电器件、柔性能量收集器以及生物信号传感器等一系列可穿戴电子领域。

目前被广泛利用的透明柔性可穿戴电极，主要分为传统的氧化铟锡(ITO)、石墨烯和碳纳米管(CNTs)等新材料、以及金属纳米材料。氧化铟锡虽然在高透明下具有较低的方块电阻，但是该材料不仅易脆而且昂贵，其主要成分铟也是属于稀有金属类，生产过程中会产生严重的环境污染。石墨烯和碳纳米管虽然具有高透明度，但是较大的方块电阻一直限制了其在高效率电子传输器件中的应用。所以，基于金属纳米材料制备可穿戴柔性电极，不仅能提高电子器件的性能，而且加工成本低廉，使用更环保，亦可大面积生产。金属中以银的导电性为最优，用温和的乙二醇/PVP体系制备的银纳米线(AgNWs)不仅具有优良的导电性和导热性，而且其网络结构在较高的透明度下具有和ITO一样的电导率。但在该体系中合成的银纳米线表面会被包裹一层薄薄的PVP，影响了电子传输，从而一定程度上降低了银纳米线的导电性。

发明内容

针对乙二醇/PVP体系制备的银纳米线因表面包裹PVP导致导电率下降的问题，本发明利用一定粘稠度的透明的PVDF溶液制备聚偏二氟乙烯透明薄膜，利用多元醇法制备的银纳米线为导电材料，使其镶嵌于聚偏二氟乙烯透明薄膜表面，防止了银纳米线从聚偏二氟乙烯透明薄膜表面脱落，提升了柔性电极的耐久性；在柔性电极成膜的过程中，多元醇法制备的银纳米线表面的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)层被有效地去除，提高了柔性电极的电导率。

本发明采用技术方案具体如下：

一种柔性可穿戴电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚偏二氟乙烯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，常温下磁力搅拌，配制成浓度为10～20wt％的PVDF溶液；

(2)采用多元醇法制备银纳米线，然后将银纳米线均匀分散在乙醇中，得到银纳米线分散液；

(3)将银纳米线分散液滴加在亲水性基底上，旋涂，于80～120℃加热至乙醇完全挥发，得到均匀的银纳米线网络结构；

(4)将PVDF溶液涂覆在银纳米线网络结构上，静置，待溶液中气泡消失后，放入80～120℃烘箱中烧结，然后自然冷却至室温，得到表面镶嵌有银纳米线网络结构的聚偏二氟乙烯透明薄膜，即柔性可穿戴电极。

采用多元醇法制备银纳米线的步骤为：将聚乙烯吡咯烷酮溶于乙二醇中，在50～70℃的水浴锅中磁力搅拌下，滴加氯化铁的乙二醇溶液，滴加完成后将水浴温度升至100～120℃，滴加硝酸银的乙二醇溶液，滴加完成后静置反应15～17h，然后将反应液冷却至室温，离心分离，得到的固体用乙醇清洗若干次，得到银纳米线。