多孔PDMS的制备方法以及在柔性电子器件中的应用

技术领域

本发明属于柔性电子器件技术领域，特别是涉及多孔PDMS的制备方法以及在柔性电子器件中的应用。

背景技术

随着社会的不断发展，健康状况日渐成为人们所关心的重要问题，不论是预防还是治疗，对人体健康状况的实时监测都是非常必要的，这也导致智能类监测设备备受人们的青睐。人体是一个十分复杂的结构，由于肌肉收缩、剧烈运动等原因会导致传统刚性监测设备产生拉伸、弯曲、扭转等无法承受的大变形。为了克服传统刚性设备的缺点，实现传感器时刻与人体保持良好贴合的监测目的，柔性电子器件被广泛应用。目前常用的柔性电子器件，形式灵活多样，可根据测量要求布置于人体各处，能够方便地应对各种复杂地变形环境。

但是，临床医学当中，人体健康状况地实时监测是一个长期、动态的过程。在这一监测过程中，监测设备需要与人体表皮时刻贴合，这必然会阻碍人体表皮的正常排汗、散热等代谢，使人体产生极大的不舒适感。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了多孔PDMS的制备方法以及在柔性电子器件中的应用，本发明提出在柔性电子器件中采用柔性多孔基底，会更有利于人体组织排汗、散热等代谢，能够更好保证柔性电子器件实时长期的监测过程中不影响人体正常的生理活动，降低器件对人体组织的不良影响，提高人体穿戴柔性电子器件的舒适性。

本发明所采用的技术方案是：

多孔PDMS的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将PDMS本体与固化剂按照10：1的比例混合均匀，随后加入去离子水并在转速11000rpm/s的情况下搅拌5min，由于PDMS具有极强的疏水性，一般情况下与水不互溶，因此通过高速的机械搅拌，混合物在惯性力作用下会向中心流动，水滴会受到转刀的剪切力而细化，使混合物乳化形成稳定的油包水系统，使得水滴均匀分散在PDMS中；

步骤二：在PDMS与去离子水充分搅拌混合均匀后，将混合物放入真空干燥箱中抽真空2h以去除搅拌过程产生的气泡；

步骤三：将混合液倒入准备好的模具中，避免这一过程中再次产生气泡，待混合物充满模具后盖上铝板，并用夹具固定竖直放置半小时，使混合物中残留的气泡集中于模具顶部；

步骤四：在烘箱内放置一个密闭的容器，将样品放入密闭的容器中并同时放置一杯水，在120℃的温度下进行加热固化，样品固化后继续加热3h直至样品重量不再改变，由于在加热固化的过程中，烘箱内部环境湿度较低会使部分水在PDMS尚未固化时离开，因此这样设置可以保证加热时容器内有一定的蒸汽压，水不容易发生蒸发而提前离开PDMS结构。

其中，在制备过程中，可以通过调整水与PDMS的比例来得到不同孔隙率的多孔PDMS样品。

本发明还提供了上述多孔PDMS的制备方法得到的多孔PDMS在柔性电子器件中的应用。

本发明的优点如下：

提出在柔性电子器件中采用柔性多孔基底，会更有利于人体组织排汗、散热等代谢，能够更好保证柔性电子器件实时长期的监测过程中不影响人体正常的生理活动，降低器件对人体组织的不良影响，提高人体穿戴柔性电子器件的舒适性。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些内容。

实施例1

多孔PDMS的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将PDMS本体与固化剂按照10：1的比例混合均匀，随后加入去离子水并在转速11000rpm/s的情况下搅拌5min；

步骤二：在PDMS与去离子水充分搅拌混合均匀后，将混合物放入真空干燥箱中抽真空2h以去除搅拌过程产生的气泡；

步骤三：将混合液倒入准备好的模具中，避免这一过程中再次产生气泡，待混合物充满模具后盖上铝板，并用夹具固定竖直放置半小时，使混合物中残留的气泡集中于模具顶部；

步骤四：在烘箱内放置一个密闭的容器，将样品放入密闭的容器中并同时放置一杯水，在120℃的温度下进行加热固化，样品固化后继续加热3h直至样品重量不再改变。

其中，在制备过程中，可以通过调整水与PDMS的比例来得到不同孔隙率的多孔PDMS样品。

多孔PDMS的力学模量测试：

由于柔性电子医疗器械在长期监测使用过程中需要承受十分复杂的荷载与变形，这些荷载和变形的承担大部分需要依靠柔性基底的工作，因此为了将多孔PDMS应用在柔性电子医疗器械当中，必须保证其具有良好的力学性能，测试多孔PDMS的静态力学特性就显得十分必要。

为了测试多孔PDMS的静态力学性能，对PDMS样品进行单轴拉伸测试，通过拉伸的应力应变曲线来确定多孔PDMS的弹性模量。

本实验中使用带有恒温箱的万能材料试验机(Zwich/Roell Z020)对不同孔隙率的PDMS样品进行单轴拉伸，测试温度范围是0-40℃；为防止拉伸时夹具处发生应力集中导致意外断裂，样品需要做成哑铃状进行拉伸；哑铃状样品尺寸为35mm×6mm×1mm，测试区尺寸为10mm×2mm；选取五组样品(分别为A、B、C、D、E)，分别在0℃，10℃，20℃，30℃和40℃下进行拉伸测试。

经过实验可发现各组样品在拉伸过程中PDMS保持着相当好的弹性，与传统的固体材料不同，PDMS的应变可以达到100％，这充分保证了多孔PDMS能够承受复杂荷载情况下产生的应变，在力学特性上完全能够用做柔性电子医疗器械的基底。且根据不同温度和不同孔隙率下PDMS弹性模量图，可以发现随着孔隙率的升高，结构中固体部分减少，PDMS弹性模量随之减小；另一方面，对于相同孔隙率的PDMS，弹性模量会随着温度的升高而增大。

多孔PDMS基底柔性电子的延展性分析：

柔性电子器件其最大的特点是将功能元器件集成于柔性基底上，使其可以承受拉、压、折叠、弯曲等各种复杂的变形。

对于临床医疗应用的柔性电子器件，为适应日常生活中人们剧烈的运动，要求柔性电子器件具有优秀的延展性，柔性电子器件的延展性主要由其柔性基底来提供，因此要求多孔PDMS具有良好的延展性，以承受柔性电子器件使用过程遭遇的复杂形变。

柔性电子器件发展至今已出现了多种不同的结构形式，根据互联导线的不同有岛桥结构、蛇形结构、马蹄形结构等。其中蛇形导线结构在提高互联导线长度的同时又保证了功能元件的有效面积，具有十分良好的延展性，通过讨论蛇形导线结构的延展性来分析多孔PDMS柔性器件的延展性。根据柔性电子器件的组成结构将模型简化，简化模型包含了柔性基底和蛇形导线两部分。

为研究多孔PDMS作为柔性基底时器件的延展性能，分别使用纯PDMS和多孔PDMS作为柔性基底的材料，利用建立的有限元仿真模型，对柔性电子器件的延展性进行分析和对比。

通过对比可以得出，当金属导线达到断裂应变时，多孔PDMS基底的位移大于纯PDMS基底，纯PDMS基底器件的延展性为23.41％，孔隙率为20％的多孔PDMS基底器件的延展性为30.35％，这表明多孔PDMS作柔性电子器件基底完全可以满足器件延展性的要求。

指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。