一种采用二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极材料

技术领域

本发明属于脑电信号检测技术领域，具体涉及一种采用二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极材料。

背景技术

脑机接口技术作为一种人机交互的新型方式，通过各种电极在大脑皮层采集人脑和活动的生物电信号，对脑电信号进行监测和反馈。湿电极和半干电极系统使用前，需将导电膏或导电凝胶注入电极。在记录过程中，凝胶会随着时间的推移而变干。这些过程非常耗时，不利于长时间监测，并且会导致不舒适的用户体验。因此柔性的聚合物干电极得到了广泛应用和研究。

在脑机接口领域中，脑电信号采集的柔性聚合物干电极主要由柔性聚合物和导电填料组成，目前干电极制备主要存在以下问题：1、导电填料与聚合物之间缺乏良好的黏附力和相互作用；2、导电填料的增多使聚合物成型困难、颗粒分散不均匀，最终导致材料性能一致性较差。详见“Liliane Bokobza,Multiwall carbon nanotube elastomericcomposites:A review,Polymer,Volume 48,Issue 17,2007,Pages 4907-4920,ISSN0032-3861”和“杜健.基于CNT-PDMS复合材料的柔性微纳应力传感器研究[D]；齐鲁工业大学,2020.”因此导电填料在聚合物中的分散对信号的采集尤为重要，需要重点研究。

发明内容

针对现有干电极导电填料分散不均匀、信号不稳定的问题，本发明提供一种二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶脑电干电极，使导电填料在硅橡胶中形成均匀的导电网络。该硅橡胶基脑电干电极材料力学性能好和生物相容性好，其优点是导电性强和信号采集的稳定性好。

本发明的技术方案：

一种采用二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极材料，主要由柔性硅橡胶、导电填料和二甲基丙烯酸锌混合制备而成，导电填料分散在柔性硅橡胶中形成导电通路，加入二甲基丙烯酸锌，使导电网络更均匀稳定，经过物理混合和高温固化，制备出导电填料分散性好的硅橡胶基脑机干电极材料。

所述的二甲基丙烯酸锌可以作为活性交联剂接枝和聚合到橡胶链中，形成交联网络，提高橡胶的力学性能，同时导电填料更均匀分散在橡胶和二甲基丙烯酸锌的基体中，与橡胶的粘附力增强。二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶脑电干电极材料混合制备需要在有机溶剂中进行，将硅橡胶溶解后增大导电填料在硅橡胶中的分散范围。

优选的，所述硅橡胶成分为聚二甲基硅氧烷，与其对应固化剂按一定比例在高温下固化，具有生物相容性好和较稳定的优点。

优选的，所述聚二甲基硅氧烷溶解于有机溶剂中，在溶剂中分散导电填料，选取有机溶剂为正己烷。

优选的，所选导电填料包括但不限于高导电性的导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、银颗粒等。

优选的，所述二甲基丙烯酸锌作为导电填料分散剂，其添加质量为聚二甲基硅氧烷质量的10％～20％。

优选的，将有机溶剂挥发后再加入聚二甲基硅氧烷固化剂进行固化。

本申请的有益效果：本申请提供一种采用二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极材料。该电极材料采用柔性硅橡胶作为主体，在电极中添加导电填料与导电填料分散剂，同时在有机溶剂中进行混合。电极材料本体是柔性的并具有良好的导电网络，二甲基丙烯酸锌的增加使电极材料有更好的导电性和稳定性，获得更好的检测信号。

附图说明

图1为本发明二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极的微观组织结构图；

图2为本发明二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极的结构示意图；

图3为本发明二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极材料的压缩曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整清晰地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当指出的是，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实例提供了一种采用二甲基丙烯酸锌改善导电填料分散性的硅橡胶基脑机干电极材料，电极材料包括柔性硅橡胶和导电填料及其分散剂，所述导电填料分散在硅橡胶中形成导电网络。

本实施例中，所述柔性硅橡胶为聚二甲基硅氧烷，与固化剂按10：1质量比混合，所选材料化学性质稳定、热稳定性强、透明性和生物相容性好，可通过表面改性和整体特性定制与头皮很好的贴合，佩戴较舒适安全。

本实施例中，所选有机溶剂为正己烷，能溶解PDMS并将导电填料在溶剂中分散于PDMS中。

本实施例中，所选导电粒子为碳纳米管，其导电性好，制备工艺成熟，利于工业化生产，形成稳定的电极内部与平滑的电极表面，制作导电硅橡胶电极用于采集头发区域的脑电信号。

本实施例中，所选碳纳米管分散剂为二甲基丙烯酸锌，作为交联剂聚合到硅橡胶中，用二甲基丙烯酸锌对碳纳米管的聚集进行阻断，来防止碳纳米管发生聚合，将碳纳米管均匀分散到PDMS中，降低了电极的电阻率。

本实施例中，二甲基丙烯酸锌改善碳纳米管分散性的硅橡胶基脑机干电极材料制作具体步骤如下：

将PDMS加入到正己烷中，每5mL正己烷溶解1gPDMS，超声处理5min使PDMS全部溶解；

加入20wt％碳纳米管进行磁力搅拌，使碳纳米管分散在溶液中；

在溶液中加入15wt％二甲基丙烯酸锌，继续磁力搅拌；

将分散后溶液放入70℃烘箱，挥发1h至干燥；

按10：1质量比加入PDMS固化剂，进行机械搅拌至均匀；

将搅拌后材料填充至模具中，放入真空泵进行真空处理；

将真空后模具放入烘箱80℃固化2h，得到二甲基丙烯酸锌改善碳纳米管分散性的硅橡胶基脑机干电极材料。

本实施例中，图1是采用二甲基丙烯酸锌改善碳纳米管分散性的硅橡胶基脑机干电极的微观组织结构图。硅橡胶与二甲基丙烯酸锌的聚合力使碳纳米管的团聚减弱，使碳纳米管均匀分散在硅橡胶中。

本实施例中，图2为采用二甲基丙烯酸锌改善碳纳米管分散性的硅橡胶基脑机干电极的结构示意图。为减少毛发对信号采集的干扰选择三爪式电极，其向下凸起的电极柱为呈锥状，方便与头皮接触且安全舒适。

本实施例中，图3是采用二甲基丙烯酸锌改善碳纳米管分散性的硅橡胶基脑机干电极材料的三个样品压缩测试应力-应变曲线。材料最大形变量在37％左右，抗压强度在0.65MPa，弹性模量在头皮可接受范围内且对头皮没有损伤，可重复使用。

本实施例中，所述电极本体表面电阻率为0.08Ω·m。有效降低电极材料表面接触阻抗以获得更好的测量效果。

以上所述仅为本发明的示例，进行了详细的描述，但并不对本发明进行限制，在本发明的范围内可以对其进行修改、等同替换和改进等。