一种直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的方法

技术领域

本发明属于新型柔性电极技术领域，尤其涉及一种直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的方法。

背景技术

随着柔性可穿戴设备的不断发展，在人体传感和机器接口起着重要信号传输作用的生理信号干电极越来越受到人们重视。干电极是一种常用的结构稳定的电极，最有可能实现长时间佩戴、连续监测的目的。但是，往往干电极都有着一些如与皮肤贴合性差、制备复杂、拉伸性差等问题。

目前文献报道的及商业化的干电极产品有很多，但是大致可以分为以下几类：(1)硬的材料，如金属片；(2)柔性材料，如导电聚合物膜、石墨烯、碳纳米管，以及基于它们的高分子复合材料等；(3)结构化材料，如织物电极，结构化设计的金属膜、金属线、导电聚合物等。

以上干电极从制备及性能上来讲存在着一些问题，如金属片电极的拉伸性和柔性较差，无法紧密贴合在皮肤上；使用柔性或者结构化的材料，要么电极较厚，与皮肤的贴合性较差，要么电极需要做到超薄厚度，加工起来比较复杂；电极不具备透气性或者透气性较差。

发明内容

针对背景技术中提出的现有技术问题，本发明提出了一种直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的方法，可检测生理电信号，解决常用干电极制备过程复杂，与皮肤贴合性差，不透气不透汗等问题。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：一种直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将纺丝聚合物、导电材料和溶剂按照比例混合形成均匀纺丝液，所述纺丝聚合物和导电材料可以单独加溶剂先形成溶液再进行混合得到最终的纺丝液，也可直接混合再加溶剂得到最终的纺丝液；

(2)将上述纺丝液直接以皮肤为衬底，在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极。

在本发明的技术方案中，所述纺丝液中纺丝聚合物和导电材料的质量比例是为(1:3)-(5:1)，所述纺丝液中纺丝聚合物和导电材料总的质量浓度为1-30％。

在本发明的技术方案中，所述纺丝聚合物选自聚乙烯醇(PVA，分子量为1万-20万)、聚氧化乙烯(PEO，分子量为10万-800万)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量为2万-150万)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB，分子量为1万-30万)的一种或一种以上。

在本发明的技术方案中，所述导电材料选自金属颗粒，导电碳材料，导电聚合物中的一种或一种以上。

在本发明的技术方案中，所述金属颗粒包括金属纳米线、金属纳米颗粒、金属纳米片。

在本发明的技术方案中，导电碳材料包括碳纳米管(CNT)、石墨烯、炭黑、乙炔黑、碳纤维。

在本发明的技术方案中，导电聚合物包括聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔。

在本发明的技术方案中，所述溶剂为水或者乙醇，或者二者的混合液。

在本发明的技术方案中，所述纺丝方法选自溶液气流纺丝、静电纺丝、高速旋转离心纺丝中的一种或者多种结合工艺。

在本发明的技术方案中，纺丝采用的纺丝设备溶液流速为0.01-10ml/h，纺丝距离2-30cm，纺丝时间大于1min，具体时间需要依据材料和纺丝面积决定。

在本发明的技术方案中，对于溶液气流纺丝，除以上条件，设置纺丝气流温度不超过70℃；对于静电纺丝，除以上条件，纺丝针头和接地电压设置为1-20kV；对于高速旋转离心纺丝，除以上条件，纺丝板的转速设置为100-5000rpm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、以皮肤为衬底，采用直接在皮肤上纺丝的方法制备纤维膜干电极，一步成形，避免了各种预加工及转移步骤。

2、在皮肤上形成的纤维网状结构，将纤维结构和导电材料结合一体，有效地提高了电极的拉伸性和对皮肤的贴合性，改善了电极的透气透汗性。

3、使用水或者乙醇，或者二者的混合液为溶剂，避免了制备过程中有机溶剂的刺激以及最后的有毒溶剂残留。

附图说明

图1为实施例1直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的实物图。

图2为实施例1直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的SEM图。

图3为实施例2直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的SEM图。

图4为实施例3直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

下面结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

将600万分子量的PEO聚合物溶解配置成质量分数为2％的水分散液，然后与PEDOT：PSS水溶液(质量浓度1％)按照质量比为1：1混合搅拌形成均匀得到纺丝液，最终纺丝液中聚合物和导电材料质量比2：1，总质量浓度为1.5％。然后将纺丝液置入溶液气流纺丝设备的喷枪中(喷嘴直径0.2mm)，溶液气流纺丝设备的流速为0.4ml/h，以100psi的压力，纺丝气流温度为60℃，10cm的接收距离，纺丝时间为10min，直接在皮肤上喷丝形成纤维膜干电极。在皮肤上纺丝制备得到的电极实物图如附图1所示，可以看出电极与皮肤贴附性较好，能够随着皮肤压缩变形，并且皮肤纹理清晰可见。将所得纤维膜干电极从皮肤上揭下来，通过扫描电镜扫描得到的SEM照片见图2，从图2中可以看出实施例1制备得到的纤维膜干电极呈现多孔结构，有利于透气。.

实施例2

将400万分子量的PEO聚合物溶解配置成3％的水分散液，然后与PEDOT：PSS水溶液(质量浓度为1％)按照质量比为1：1混合搅拌形成均匀得到纺丝液，最终纺丝液中聚合物和导电材料质量比3：1，总质量浓度为2％。然后将得到纺丝液置入溶液气流纺丝设备的喷枪中(喷嘴直径0.2mm)，溶液气流纺丝设备的流速为0.6ml/h，纺丝气流压力80psi，纺丝气流温度为55℃，接收距离为10cm，纺丝时间为15min，直接在皮肤上喷丝形成纤维膜干电极。将所得纤维膜干电极从皮肤上揭下来，通过扫描电镜得到的SEM照片见图3，从图3中可以看出实施例2制备得到的纤维膜干电极纤维排列较蓬松。

实施例3

将聚乙烯醇缩丁醛聚合物溶解在乙醇和水的混合液(质量比9:1)配置成12％的溶液，然后将羟基化碳纳米管分散在乙醇中形成3％的分散液，之后将二者按质量比为1:0.8进行混合搅拌形成均匀得到纺丝液，最终纺丝液中聚合物和导电材料质量比5：1，总质量浓度为8％。最后将纺丝液置入溶液气流纺丝设备的喷枪中(喷嘴直径0.2mm)，以100psi的压力，纺丝设备的流速为0.8ml/h，纺丝气流温度为22℃，15cm的接收距离，纺丝时间为8min，直接在皮肤上喷丝形成纤维膜干电极。将所得纤维膜干电极从皮肤上揭下来，通过扫描电镜得到的SEM照片见图4，从图4中可以看出实施例3制备得到的纤维膜干纤维直径较细，多孔透气。

综上，从图1-4可以说明，本发明提供的直接在皮肤上纺丝制备纤维膜干电极的方法，在皮肤上形成的纤维网状结构，将纤维结构和导电材料结合一体，在保留纤维电极多孔透气性的同时有效地提高了电极的拉伸性和对皮肤的贴合性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。