一种透气性电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性传感器技术领域，尤其涉及一种透气性电子皮肤及其制备方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

柔性传感器作为实现环境感知和信息交互的关键传感设备，由于其在可穿戴医疗监测、运动训练、医疗诊断和治疗、人机交互等方面的新兴潜在应用，引起了巨大的研究关注。电子皮肤作为触觉传感器大多数制备于聚合物材料基底上，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex。然而，传统的聚合物基底是实心基底，不透气，阻断了被覆盖的皮肤与外部环境之间的正常质量微交换，使得皮肤温度超过舒适的温度范围，长时间穿戴该种电子皮肤会使皮肤出现红肿、发炎的现象。此外，积聚的汗液也会对电子皮肤的物理形成、传感性能和可靠稳定性产生负面影响。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种透气性电子皮肤及其制备方法，通过采用多孔电解质层提高了电子皮肤的透气性，并利用上电极、下电极中SiO

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提出了一种透气性电子皮肤，包括上电极、多孔电解质层和下电极；多孔电解质层包括海绵和离子凝胶，离子凝胶裹覆于海绵骨架上；上电极和下电极均包括包含SiO

第二方面，提出了第一方面提出的一种透气性电子皮肤的制备方法，包括：

在海绵骨架上裹覆离子凝胶，制备获得多孔电解质层；

在纳米纤维中添加SiO

在包含SiO

将上电极和下电极分别贴附于多孔电解质层的两面，使多孔电解质层能够进行上电极和下电极之间的电荷传输，制备获得一种透气性电子皮肤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的多孔电解质层以海绵为基底，在海绵骨架上裹覆离子凝胶，使得电解质层具备了多孔结构，从而使得电子皮肤具备良好的透气性，并能够增加检测的灵敏度和检测的范围。

2、本发明通过静电纺丝获得纳米纤维，使得纳米纤维具备丰富的凹凸不平结构，从而进一步提高电子皮肤的透气和透湿性能，及电子皮肤的检测灵敏度。

3、本发明在纳米纤维中添加了SiO

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例公开电子皮肤的结构示意图；

图2为实施例公开电子皮肤的微纳结构与实物图；

图3为实施例公开电子皮肤的传感性能测试结果图；

图4为实施例公开电子皮肤的疏水性、透气性与生物兼容性测试结果图；

图5为实施例公开电子皮肤的被动降温测试与表征结果图。

其中：1、上电极，2、多孔电解质层，3、下电极，4、人体皮肤。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

在该实施例中，公开了一种透气性电子皮肤，如图1所示，包括上电极1、多孔电解质层2和下电极3；多孔电解质层2包括海绵和离子凝胶，离子凝胶裹覆于海绵骨架上；上电极和下电极均包括包含SiO

本实施例的上电极1贴附于多孔电解质层2的上表面，下电极3贴附于多孔电解质层2的下表面，进而能够利用多孔电解质层2中的离子凝胶进行上电极1和下电极2之间的电荷传输。

该透气性电子皮肤的多孔电解质层2以海绵为基底，将海绵骨架通过离子凝胶裹覆，从而使得多孔电解质层2具备离子提供能力，并能够利用海绵的多孔结构进行透气散热。

其中，离子凝胶通过1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐粒子液体([BMIm][BF4])、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)制备而成。

本实施例通过在海绵骨架上裹覆离子凝胶，制备获得多孔电解质层，过程为：

制备离子凝胶溶液；

将海绵放置于离子凝胶溶液中浸泡；

将浸泡后的海绵从离子凝胶溶液中取出后干燥，获得多孔电解质层。

在具体实施时，将[BMIm][BF4]、P(VDF-HFP)和DMF以1:1:10或2:1:10或3:1:10的重量比加入烧杯中，然后用保鲜膜密封烧杯口，以防止可能的蒸发和与外界的物质交换，获得混合溶液；将混合溶液在50℃水浴中搅拌3小时，直到溶液变透明，表明聚合物颗粒完全溶解，获得IL/P(VDF-HFP)离子凝胶溶液。

将海绵完全浸泡在IL/P(VDF-HFP)离子凝胶溶液中，然后取出，在60℃的烘箱中干燥40min，获得多孔电解质层，该多孔电解质层的电镜图如图2中E所示。

优选的，海绵采用PU海绵，PU海绵的电镜图如图2中D所示。

本实施例通过在纳米纤维中添加SiO

优选的，包含SiO

制备TPU溶液；

将SiO

对TPU/SiO

在具体实施时，将TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)颗粒添加到THF(四氢呋喃)和DMF的重量比为1:1的混合有机溶液中，然后将混合溶液在70℃下搅拌2小时，直到所有TPU颗粒溶解，制备获得TPU溶液，该PTU溶液中TPU浓度为17wt.％。

将的SiO

将制备的TPU/SiO

本实施例在制备获得包含SiO

具体的，将包含SiO

优选的，导电材料选用MXene导电材料。

本实施例通过静电纺丝的形式获得包含SiO

且上电极和下电极中均包含SiO

此外，为了实现对上电极和下电极的保护，本实施例还在上电极表面和下电极表面分别设置疏水层。

本实施例在制备电子皮肤时，先在上电极表面和下电极表面分别设置疏水层；然后将将设置有疏水层的上电极贴附于多孔电解质层的上表面，将设置有疏水层的下电极贴附于多孔电解质层的下表面，制备获得一种透气性电子皮肤，从而制备获得一种透气性电子皮肤。

在上电极和下电极表面制备疏水层的过程为：

制备硬脂酸溶液；

将硬脂酸溶液喷涂在上电极和下电极的表面并干燥，从而在上电极和下电极的表面分别设置疏水层。

在具体实施时，在1000rpm的磁力搅拌下，将0.2g硬脂酸加入50mL热水中，然后在70℃下保持搅拌1小时，以获得硬脂酸溶液。

将制备的硬脂酸乳液均匀喷涂在上电极表面10s，下电极表面10s，然后将喷涂后的上电极和下电极放置在70℃的烘箱中干燥20分钟，从而实现上电极和下电极的表面分别设置疏水层，使上电极和下电极从亲水性变为疏水性。

本实施例采用粘贴的方式，将上电极和下电极粘贴于多孔电解质层的两面，具体的：

在多孔电解质层的上表面和下表面均匀地涂上少量粘性IG溶液作为胶水，然后将上电极贴附于多孔电解质层的上表面，下电极贴附于多孔电解质层的下表面，在50℃的烘箱中干燥20分钟，最终获得具有热管理功能的一种透气性电子皮肤。

本实施例公开的一种透气性电子皮肤的横截面电镜图预期对应的EDS元素分布图如图2中F所示。

本实施例公开的一种透气性电子皮肤在结构与性能不被破坏的前提下可以按压、弯曲与扭曲，并且具有超轻特性，如图2中G所示。

本实施例公开的一种透气性电子皮肤能够贴附于人体皮肤6上，对人体进行健康监测。

当将本实施例公开的电子皮肤贴附于人体皮肤6小时，如果人体皮肤与电子皮肤之间的压力发生改变，则上电极、多孔电解质层和下电极发生变形，使得上电极、下电极与多孔电解质层之间的接触面积发生改变，从而使得电子皮肤的电容值发生改变，故通过测量电子皮肤的电容值能够获得电子皮肤与人体皮肤之间的压力，进而根据该压力，判断人体的健康状态。

对本实施例公开的一种透气性电子皮肤进行传感性能测试，获得电子皮肤的灵敏度曲线如图3中A所示，电子皮肤的相应时间曲线如图3中B所示，电子皮肤的阶梯测试曲线如图3中C所示，电子皮肤的稳定性测试结果如图3中D所示。

通过灵敏度曲线可知，该电子皮肤，第一阶段的灵敏度为11.20kPa

对本实施例公开的电子皮肤进行疏水性、透气性与生物兼容性测试，获得的疏水性测试结果、透气性测试结果和生物兼容性测试结果分别如图4中A、B、C所示。

通过疏水性测试结果可知，人工汗液、水与电子皮肤的接触角均大于135°，证明了电子皮肤的疏水性能；通过透气性测试结果可知，传感器的透气率为48.5mm/s，优于锦纶、PDMS薄膜和医用胶带；通过生物兼容性测试结果可知，电子皮肤长时间穿戴不会使皮肤出现红肿现象，保证了长时间穿戴的舒适性。

对本实施例公开的电子皮肤进行被动降温测试，获得被动降温测试结果及表征。图5中A显示了TPU纳米纤维及加入了SiO

图5中B为连续6小时测试各种材料的冷却性能结果，可知，在TPU纳米纤维中加入SiO

图5中C为将棉布、TPU纳米纤维、包含SiO

本实施例还对不同浓度离子凝胶溶液(不同离子液体含量)制成的电子皮肤的灵敏度与应变范围进行了测试，测试结果如表1所示。

表1

表明本实施例公开的电子皮肤具备良好的灵敏度和大的压力测量范围。

故本实施例公开的一种透气性电子皮肤，可透气、防汗，具有被动辐射制冷与健康监测的功能，在炎热的环境中可以有效降低人体温度，监测人体生理信号，依据生理信号的特征判断人体健康状况，其多孔电解质层以海绵为基底，在海绵骨架上裹覆离子凝胶，使得电解质层具备了多孔结构，从而使得电子皮肤具备良好的透气性，并能够增加检测的灵敏度和检测的范围。通过静电纺丝获得纳米纤维，使得纳米纤维具备丰富的凹凸不平结构，从而进一步提高电子皮肤的透气和透湿性能，及电子皮肤的检测灵敏度。

本实施例还在纳米纤维中添加了SiO

实施例2

在该实施例中，公开了实施例1公开的一种透气性电子皮肤的制备方法，包括：

在海绵的骨架上裹覆离子凝胶，制备获得多孔电解质层；

在纳米纤维中添加SiO

在包含SiO

将上电极和下电极分别贴附于多孔电解质层的两面，使多孔电解质层能够进行上电极和下电极之间的电荷传输，制备获得一种透气性电子皮肤。

进一步的，制备获得多孔电解质层的过程为：

制备离子凝胶溶液；

将海绵放置于离子凝胶溶液中浸泡；

将浸泡后的海绵从离子凝胶溶液中取出后干燥，获得多孔电解质层。

进一步的，制备获得包含SiO

制备TPU溶液；

将SiO

对TPU/SiO

进一步的，对包含SiO

将导电材料喷涂到清洗后纳米纤维表面，获得上电极或下电极。

进一步的，上电极贴附于多孔电解质层的上表面，下电极贴附于多孔电解质层的下表面。

进一步的，在上电极表面和下电极表面分别设置疏水层；

将设置有疏水层的上电极贴附于多孔电解质层的上表面，将设置有疏水层的下电极贴附于多孔电解质层的下表面，制备获得一种透气性电子皮肤。

进一步的，制备硬脂酸溶液；

将硬脂酸溶液喷涂在上电极和下电极的表面并干燥，从而在上电极和下电极表面分别设置疏水层。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。