一种多功能人造指纹及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多功能人造指纹及其制备方法，属于微纳加工技术和仿生材料领域。

背景技术

指纹已经广泛应用于个人识别、门禁控制、防伪、和医疗诊断等领域。但是，由于汗渍、油脂等分泌物的存在，通常会在被触摸表面留下潜伏的指纹，导致个人信息泄露。此外，人们经常戴手套来保护皮肤。但是手套会降低我们的触觉感知能力，导致无法人们无法操作精密仪器，手指无法做出精细动作，甚至不能解锁手机。人造指纹的发明将解决这一系列问题。

指纹属于微纳结构，目前制造微纳结构的技术大多数需要固定模板，这将给大规模制备特异性的指纹结构(每一个指纹结构都不一样)带来困难。

发明内容

[技术问题]

本发明要解决的技术问题是：因为需要模板，造成大规模制备特异性人造指纹的困难。

[技术方案]

本发明的技术效果如下：

本发明提供了一种无模板化的蒸发印刷方法，通过调整气流流速和胶体的离子强度，可快速制备结构不同的人造指纹。该方法具有一步成型、环保节能、价格低廉的优点，几乎可以应用于任何表面。

本发明提供了一种多功能人造指纹的制备方法，包括：

按照重量份数配比，利用水性聚氨酯(PU)、聚乙烯亚胺(PEI)和氨水配置得到复合胶体；然后将复合胶体滴在基板表面，通过气流平行吹动，结束后，干燥。

在本发明的一种实施方式中，按照重量份数配比，复合胶体包括水性聚氨酯40-80份，聚乙烯亚胺10-50份，氨水10-20份。

在本发明的一种实施方式中，按照重量份数配比，复合胶体包括水性聚氨酯40-55份，聚乙烯亚胺30-40份，氨水10-20份。

在本发明的一种实施方式中，按照重量份数配比，复合胶体包水性聚氨酯54份、聚乙烯亚胺32份、氨水14份。

在本发明的一种实施方式中，氨水的浓度为28wt％。

在本发明的一种实施方式中，复合胶体的离子强度为1.36-1.85mol/L。

在本发明的一种实施方式中，气流平行吹动的气流速度为6-12L/min。

在本发明的一种实施方式中，基板包括玻璃，塑料，橡胶，金属中任意一种。

本发明基于上述制备方法制备提供一种多功能人造指纹。

本发明还提供上述多功能人造指纹在个人识别、门禁控制、防伪中的应用。

本发明还提供上述多功能人造指纹在制备医疗诊断设备中的应用。

本发明的有益效果：

本发明方法一步法、无模板、灵活性高、成本低、制备速度快、节能环保。

本发明方法通过控制一定组分配比获得特定胶体离子强度、配合气流速度制备具有不同结构的人造指纹，指纹的高度为4-10μm，宽度为6-50μm，形状为条形或弧形，与人的指纹相似。

本发明方法制备的人造指纹力学强度高，韧性好，摩擦力大，不易被破坏，可自愈合。抗拉强度为11MPa，断裂伸长率为950％，体积弹性模量为2MPa，韧性为62.3MJ m

本发明方法制备的人造指纹可以进行指纹识别，解锁手机，同时不留下潜伏的指纹。

本发明方法制备的人造指纹可增强人们戴手套时的触觉感知能力。

附图说明

图1为本发明人造指纹制备流程图。

图2为在不同离子强度和气流速度下，通过蒸发印刷制备的人造指纹实物宏观拍摄图(W

图3为本发明实施例3所得的人造指纹的微观结构图；(a)3D轮廓仪表征，(b)指纹宽度，高度与气流速度的关系，(c)指纹宽度，高度与离子强度的关系(I

图4为本发明实施例3所得的人造指纹的力学性能结果图；(a)应力-应变曲线，(b)划痕测试，(c)摩擦力表征，(d)纳米压痕测试。

图5为本发明人造指纹识别功能图；(a)人造指纹在指纹读卡器上录入与识别，(b)五个不同的人造指纹贴在五个手指上的识别。

图6为本发明人造指纹触觉感知测试图；A为人的手指，B为人造指纹贴于手指上，C为手指戴指套下的大脑血样浓度图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

本发明人造指纹的制备流程如图1所示，首先将制备好的复合胶体滴在玻璃基板上，然后通过空气平行吹动胶体，待水分蒸发干燥后，在玻璃片上自发形成指纹结构。

离子强度(FI)可通过以下公式计算：

其中，c

实施例1

一种复合胶体由水性聚氨酯54份，聚乙烯亚胺32份，氨水(28wt％)14份组成，该复合胶体的离子强度为1.36mol/L。将复合胶体滴在玻璃基板表面，通过气流(速度12L/min)平行吹动复合胶体，干燥后自发产生指纹结构。

实施例2

一种复合胶体，由水性聚氨酯54份，聚乙烯亚胺32份，氨水(28wt％)14份组成，该复合胶体的离子强度为1.36mol/L。将复合胶体滴在玻璃基板表面，通过气流(速度6L/min)平行吹动复合胶体，干燥后自发产生指纹结构。

实施例3

一种复合胶体，由水性聚氨酯40份，聚乙烯亚胺40份，氨水(28wt％)20份组成，该复合胶体的离子强度为1.85mol/L。将复合胶体滴在玻璃基板表面，通过气流(速度12L/min)平行吹动复合胶体，干燥后自发产生指纹结构。

通过显微镜可观测指纹结构，通过万能拉伸试验机可测试人造指纹的力学性能。

对照例1

省略实施例1中的聚乙烯亚胺，其他条件或者参数与实施例1一致，无论如何改变气流速度与离子强度，均无法得到指纹结构。

对照例2

省略实施例1中的氨水，其他条件或者参数与实施例1一致，无法得到均匀的复合胶体，进而无法进行蒸发印刷。

对照例3

将聚氨酯的添加量调整为90份以上，其他条件或者参数与实施例1一致，无论如何改变气流速度与离子强度，均无法得到指纹结构。

对照例4

将气流速度降低为3L/min，其他条件或者参数与实施例1一致，无论如何改变气流速度与离子强度，均无法得到指纹结构。

各实施例和对照例的制备结果如表1所示。

表1

实施例4不同离子强度和气流速度对人造指纹制备的影响

按照不同重量份数配比，将水性聚氨酯、聚乙烯亚胺、氨水复合，得到不同离子强度的复合胶体。将不同离子强度的复合胶体滴在玻璃基板表面，分别通过不同速度(3L/min、6L/min、12L/min、18L/min)的气流平行吹动复合胶体，干燥。

相应的制备结果如图2所示。图2中，在不同离子强度(0.61、1.03、1.36、1.85、2.03mol/L)和气流速度下，通过蒸发印刷制备的人造指纹实物图(W

保持离子强度为1.85mol/L，分别在不同速度(3L/min、6L/min、12L/min、18L/min)的气流平行吹动复合胶体，干燥。相应制备得到的人造指纹的微观结构图如图3(a)所示。

图3(b)为指纹宽度，高度与气流速度的关系，对应保持离子强度为1.85mol/L，配合不同的气流速度(0、3L/min、6L/min、12L/min)。

图3(c)为指纹宽度，高度与离子强度的关系，对应保持气流速度为12L/minL，配合不同的离子强度(1.03、1.36、1.63、1.85mol/L)。

指纹的高度为4-10μm，宽度为6-50μm，形状为条形或弧形，与人的指纹相似。

图4为本发明实施例3所得人造指纹的力学性能。(a)应力-应变曲线，(b)划痕测试，(c)摩擦力表征，(d)纳米压痕测试。制备的人造指纹力学强度高，韧性好，摩擦力大，不易被破坏，可自愈合。抗拉强度为11MPa，断裂伸长率为950％，体积弹性模量为2MPa，韧性为62.3MJ m-3，摩擦系数为1.65，自愈合效率为90％。

图5为使用本发明实施例3所得人造指纹的识别功能图，(a)人造指纹在指纹读卡器上录入与识别，(b)五个不同的人造指纹贴在五个手指上的识别。

图6为触觉感知测试图：A为人的手指，B为本发明实施例3所得人造指纹贴于手指上，C为手指戴指套下的大脑血样浓度图。在不同触觉刺激条件下，受试者正常手指直接接触与手指粘贴新材料纹路薄膜接触的大脑前额叶及初级运动皮层激活差异较小。受试者正常手指直接接触与戴手套接触的大脑前额叶及初级运动皮层激活差异较大。因此，相对于戴手套，戴手指粘贴新材料纹路薄膜更接近于不佩戴任何东西的正常手指。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。