柔性自供能多层结构电子皮肤及其制备方法与流程

1.本发明涉及机器人电子皮肤触觉传感技术领域，具体地说，是一种柔性自供能多层结构电子皮肤及其制备方法。


背景技术：

2.电子皮肤广泛应用于智能机器人、仿生义肢、可穿戴设备方面，在多领域内都有巨大潜力。目前，国内外的科学家在可穿戴电子皮肤上作出了许多成果，如基于导电凝胶的电子皮肤、电子皮肤自愈性的研究、电子皮肤的健康监测研究等。然而，目前多数电子皮肤都是从材料以及微电子等领域进行研究的，主要分为两个类别：利用新材料特性制成的全柔性电子皮肤，以及刚性pcb板形式的电子皮肤。全柔性电子皮肤的优点是模拟了人体皮肤的柔软特性，可以很好的贴附在不规则表面，但缺点是传感器不易集成，往往只能测量单一的物理量，比如压力，且很难进行大面积的制造。而pcb板形式的电子皮肤的优点是单块pcb传感器集成度高，可以拼装成大面积电子皮肤，缺点也非常明显，硬质pcb板不能弯折，不能模拟人类皮肤的表面特性，很难贴附于曲面上。
3.聚乙烯醇(pva)作为一种在自然界中储量丰富，又具有生物可降解性和生物相容性的环境友好型材料，引起了人们的广泛关注。近年来，研究者们通过在pva基体中掺入不同的导电材料，例如金属、合金、液态金属、离子、半导体和碳纳米材料，制备pva基的电子皮肤传感器。另外，pva材料的柔韧性差、弹性形变低，限制了应变传感器的检测范围；高分子材料的高黏度、低流动性，导电填料在基底材料中掺杂时往往会出现分布不匀、团聚等问题，如何实现导电填料在高分子基体中的均匀分散也是一大挑战。


技术实现要素：

4.本发明以tpu纤维膜为基体，一维agnws与二维rgo按一定比例混合作为导电填料，采用层层错落叠加的制备方式，制备了具有多功能、性能可调的自供电柔性电子皮肤，并进行组装得到电子皮肤传感器。agnws不仅具有良好的导电性和抗菌性，同时一维agnws与二维rgo之间强的相互作用实现agnws在复合薄膜中的均匀分散，提高了agnws/rgo导电复合薄膜的综合性能。这种柔性的电子皮肤传感器可用于检测应变、温度和湿度刺激，具有传感的高灵敏性、良好的稳定性。
5.为实现上述，本发明的解决方案是：一种柔性自供能多层结构电子皮肤，包括tpu纤维膜基体和导电填料，所述柔性自供能多层结构电子皮肤tpu纤维膜基体和导电填料采用层层错落叠加的排布方式堆叠而成，所述导电填料由一维agnws与二维rgo按一定比例混合制备得到；所述tpu纤维膜基体每层tpu纤维膜厚度约为15-20μm，所述导电填料agnws在agnws和rgo总量中的占比为50%，所述导电填料制得的导电层厚度小于1μm，且完全被相邻的15-20μm的tpu纤维膜紧紧包裹。
6.本发明还提供一种柔性自供能多层结构电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：
（1）导电填料的制备：agnws的制备：采用在聚乙烯吡咯烷酮（pvp）环境下利用乙二醇（eg）还原硝酸银（agno3）制备agnws的方法：首先，取20 ml eg置于烧瓶中，将烧瓶放于磁力搅拌器上进行搅拌；随后取0.3996 g pvp逐步倒入装有eg的烧瓶中，搅拌均匀；接着取0.204 g agno3缓缓倒入上述烧瓶；然后将该烧瓶密闭、遮光后搅拌1 h，在agno3和pvp被搅拌均匀后，取配备好的10 μl nacl的eg溶液（浓度为0.1 m）加入上述烧瓶，密闭搅拌10 min，将搅拌均匀的溶液放置于油浴锅内，冷凝管接三口烧瓶其中一开口，在170
ꢀº
c的温度下反应1 h，随后将溶液加入丙酮置于离心管中，在5000 r/min下离心10 min，加入丙酮离心进行三次以洗去残留的pvp和eg；最后，再加入乙醇离心三次洗去残留的丙酮，得到分散在乙醇溶液中的agnws；分离单片rgo：取一定量的rgo置于装有乙醇的烧杯中，在搅拌器下搅拌均匀，随后将烧杯放置于细胞粉碎机中在功率380 w，频率20 khz条件下超声处理1 h；接着在均匀的单片的rgo分散液中加入定量agnws的乙醇溶液，调节至一定的比例，在搅拌器上均匀分散1 h，密封放置；（2）tpu纤维膜基体的制备：取5 g tpu颗粒置于烧杯中，先后缓慢加入n-n二甲基甲酰胺（dmf）和四氢呋喃（thf）各10 ml，放于搅拌器常温下搅拌5 h直至tpu彻底溶解。随后，tpu溶液被放入两个带有弯曲金属喷嘴的10 ml塑料注射器中，注射器装配在静电纺丝机移动平台上（推进速度0.1 mm/min，平台左右循环移动速度5 mm/s），并连接到26kv电压；一个用金属箔包裹的旋转金属圆筒（周长44 cm）被连接到一个-300 v的电压上，放置在距离收集单元14 cm的喷嘴下，低速转动以接收tpu纤维；静电纺丝封闭空间温度控制在25
±
2 ℃，相对湿度45
±
5%。启动静电纺丝机，在运行10 min后，滚筒上形成一层白色的tpu纤维膜（约20 μm）；随后停止静电纺丝机（滚筒继续转动）；（3）柔性自供能多层结构电子皮肤的制备：将步骤（1）中定量的agnws/rgo分散液置于喷笔中，在空气压缩机的作用下将其喷涂在滚筒上的tpu纤维膜，由于乙醇的高挥发性，导电物质中的乙醇很快挥发；随后开启静电纺丝机，再纺织一层tpu纤维膜覆盖于agnws导电填料；经过多次重复上述步骤，最后得到具备多层agnws/rgo导电层电子皮肤。
7.本发明以tpu纤维膜为基体，一维agnws与二维rgo按一定比例混合作为导电填料，采用层层错落叠加的制备方式，制备了具有多功能、性能可调的自供电柔性电子皮肤，并进行组装得到电子皮肤传感器。agnws不仅具有良好的导电性和抗菌性，同时一维agnws与二维rgo之间强的相互作用实现agnws在复合薄膜中的均匀分散，提高了agnws/rgo导电复合薄膜的综合性能，且纤维膜中存在着大量纳米级的空隙，这有利于气体的通过，同时兼具了防水的功效。这种柔性的电子皮肤传感器可用于检测应变、温度和湿度刺激，具有传感的高灵敏性、良好的稳定性。
附图说明
8.图1本发明柔性自供能多层结构电子皮肤制备过程图（a-d）。
具体实施方式
9.下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限
制本发明。
10.一种柔性自供能多层结构电子皮肤，包括tpu纤维膜基体和导电填料，所述柔性自供能多层结构电子皮肤tpu纤维膜基体和导电填料采用层层错落叠加的排布方式堆叠而成，所述导电填料由一维agnws与二维rgo按一定比例混合制备得到；所述tpu纤维膜基体每层tpu纤维膜厚度约为15-20μm，所述导电填料agnws在agnws和rgo总量中的占比为50%，所述导电填料制得的导电层厚度小于1μm，且完全被相邻的15-20μm的tpu纤维膜紧紧包裹。
11.本发明还提供一种柔性自供能多层结构电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：（1）导电填料的制备：agnws的制备：采用在聚乙烯吡咯烷酮（pvp）环境下利用乙二醇（eg）还原硝酸银（agno3）制备agnws的方法：首先，取20 ml eg置于烧瓶中，将烧瓶放于磁力搅拌器上进行搅拌；随后取0.3996 g pvp逐步倒入装有eg的烧瓶中，搅拌均匀；接着取0.204 g agno3缓缓倒入上述烧瓶；然后将该烧瓶密闭、遮光后搅拌1 h，在agno3和pvp被搅拌均匀后，取配备好的10 μl nacl的eg溶液（浓度为0.1 m）加入上述烧瓶，密闭搅拌10 min，将搅拌均匀的溶液放置于油浴锅内，冷凝管接三口烧瓶其中一开口，在170
ꢀº
c的温度下反应1 h，随后将溶液加入丙酮置于离心管中，在5000 r/min下离心10 min，加入丙酮离心进行三次以洗去残留的pvp和eg；最后，再加入乙醇离心三次洗去残留的丙酮，得到分散在乙醇溶液中的agnws；分离单片rgo：取一定量的rgo置于装有乙醇的烧杯中，在搅拌器下搅拌均匀，随后将烧杯放置于细胞粉碎机中在功率380 w，频率20 khz条件下超声处理1 h；接着在均匀的单片的rgo分散液中加入定量agnws的乙醇溶液，调节至一定的比例，在搅拌器上均匀分散1 h，密封放置；（2）tpu纤维膜基体的制备：取5 g tpu颗粒置于烧杯中，先后缓慢加入n-n二甲基甲酰胺（dmf）和四氢呋喃（thf）各10 ml，放于搅拌器常温下搅拌5 h直至tpu彻底溶解。随后，tpu溶液被放入两个带有弯曲金属喷嘴的10 ml塑料注射器中，注射器装配在静电纺丝机移动平台上（推进速度0.1 mm/min，平台左右循环移动速度5 mm/s），并连接到26kv电压；一个用金属箔包裹的旋转金属圆筒（周长44 cm）被连接到一个-300 v的电压上，放置在距离收集单元14 cm的喷嘴下，低速转动以接收tpu纤维；静电纺丝封闭空间温度控制在25
±
2 ℃，相对湿度45
±
5%。启动静电纺丝机，在运行10 min后，滚筒上形成一层白色的tpu纤维膜（约20 μm）；随后停止静电纺丝机（滚筒继续转动）；（3）柔性自供能多层结构电子皮肤的制备：将步骤（1）中定量的agnws/rgo分散液置于喷笔中，在空气压缩机的作用下将其喷涂在滚筒上的tpu纤维膜，由于乙醇的高挥发性，导电物质中的乙醇很快挥发；随后开启静电纺丝机，再纺织一层tpu纤维膜覆盖于agnws导电填料；经过多次重复上述步骤，最后得到具备多层agnws/rgo导电层电子皮肤。
12.如图1所示，制备agnws/rgo填充导电层的电子皮肤，其中每层tpu纤维膜厚度约为20 μm，agnws在agnws/rgo中的含量为50%，agnws/rgo导电层的厚度不到1 μm，且完全被相邻的20 μm的tpu纤维膜紧紧包裹，大大提升了电子皮肤的结构稳定性，电子皮肤的每层导电网络保持高度的一致性。选择8层agnws/rgo导电层，agnws在agnws/rgo中含量为50%的电子皮肤，tpu纤维
膜是由大量的tpu纤维无规地堆叠在一起形成的，tpu纤维呈现自然弯曲或者卷曲状态，这样的排列方式极大地提高了tpu纤维膜的可拉伸性能。tpu纤维的直径尺寸比较均一，且纤维膜中存在着大量纳米级的空隙，这有利于气体的通过，同时兼具了防水的功效。tpu纤维表面无杂质，纤维之间的搭接错落有致，显示了高品质的纤维膜。较细的纤维形成的纤维膜更为致密，力学性能更为优异，且能更好地保护agnws/rgo导电层免受外界的破坏。