一种基于直接书写打印制备三维非接触感应器的方法

1.本发明属于纳米功能器件制备领域，涉及感应器，特别涉及一种基于直接书写打印制备三维非接触感应器的方法。


背景技术：

2.随着物联网和人工智能的出现，用于人机交互的传感器吸引了越来越多的需求，并改变了人们与周围环境交流的方式。目前，大多数传感器需要通过物理接触来与环境进行交互，以在操作过程中获取信号。然而表面之间的物理接触可能有一些很大的缺点，如由于材料的磨损而降低其输出功率以及需要更换设备。这种重复的物理接触的需要同时也可能导致传感器出现不可避免的机械疲劳和细菌污染，这将限制其实际可能性和多功能性。
3.基于摩擦电和静电感应耦合的摩擦纳米发电机可以用于体感交互系统中的非接触式传感。但是在非接触式工作模式下，随着摩擦纳米发电机与检测对象的距离越来越远，设备的输出性能会减弱。
4.为了提高非接触摩擦纳米发电机的输出性能，科研工作者尝试进行表面图案化、介电层堆叠、介电常数调制和离子注入等工作。图案化的结构可以使摩擦层接触面积增大，可以有效的提高摩擦电性能。现有的方法多为模板辅助法，光刻蚀等，这些方法步骤复杂，耗时，昂贵。另外由于静电势感应非接触式摩擦纳米发电机的输出性能仍存在电荷漂移的现象，导致摩擦电子的损失、电荷衰减较快和电压输出的减少等缺点。
5.因此，开发一种无需物理接触，能与周围信息交互且简单、快速、节约成本、输出性能优异的非接触传感器一直以来是研究的热点之一。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于直接书写打印制备三维非接触感应器的方法。本发明方法简单、快速，能够有效节约成本，并获得高比面积的图案化三维结构，有效提高电荷分离传输能力，增大输出电压，降低电荷衰减，进而提高非接触感应器的电学性能。
7.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
8.一种基于直接书写打印制备三维非接触感应器的方法，其特征在于：所述方法在基材上根据图案信息将凝胶状墨水通过打印成型，并经过冷冻干燥得到基于电负性材料/电荷捕获材料的图案化三维气凝胶，最后与电极层组装形成基于摩擦纳米发电原理的非接触感应器。
9.一种基于直接书写打印制备三维非接触感应器的方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
10.1)电负性摩擦层墨水配制：将电负性材料、电荷捕获材料均匀混合，电负性材料与电荷捕获材料的混合比例为100：0～5：1，然后再加入粘度调节剂，电负性材料与粘度调节剂的比例100：1～100：7，将上述三种材料的混合物进行离心处理，离心时间为5～30min，离
心的转速为1000～8000rpm，得到电负性摩擦层墨水；
11.2)电负性摩擦层打印：将电负性摩擦层墨水注入直接书写打印机的针筒内，将打印基材固定在打印平台上，调整针筒喷头使打印喷头按照图案信息将电负性摩擦层墨水直接书写在打印基材上，得到预设图案结构的电负性摩擦层；
12.3)气凝胶基电负性摩擦层制备：将打印好的电负性摩擦层放入冷冻干燥机中冷冻，得到3d预设图案结构图案化的气凝胶基电负性摩擦层；
13.4)非接触感应器组装：将步骤3)得到的气凝胶基电负性摩擦层与电极层组装成单电极结构，手与气凝胶基电负性摩擦层非接触往复运动，得到非接触感应器。
14.而且，所述电极层由导电层或导电层与打印基材组合层组成；所述导电层的材料为金属、金属氧化物或碳材料；所述金属为铁、锌、铜或铝；所述金属氧化物为氧化铟锡；所述碳材料为富勒烯、炭黑或mxene；所述打印基材为聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、聚酰胺、尼龙6、聚氨酯、聚酯、聚甲醛、聚苯乙烯或玻璃。
15.而且，所述电负性材料为易得电子材料，为聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、纤维素或聚偏氟乙烯。
16.而且，所述电荷捕获材料为mxene、石墨烯、c60或银纳米线。
17.而且，所述粘度调节剂为壳聚糖、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、明胶、石蜡或高分子树脂类产品。
18.而且，所述步骤2)中直接书写打印的空气压力为10～50psi，打印速度为0.01-50mm s-1
。
19.而且，所述步骤3)的冷冻干燥条件为：温度为-60～10℃，冷冻干燥时间大于12h。
20.本发明的优点和有益效果为：
21.本发明利用直接书写打印得到基于电负性材料/电荷捕获材料的图案化三维多孔气凝胶，形成基于摩擦纳米发电原理的非接触感应器，本发明方法简单、快速，能够有效节约成本，并获得高比面积的图案化三维结构，有效提高电荷分离传输能力，增大输出电压，降低电荷衰减，进而提高非接触感应器的电学性能。
附图说明
22.图1为本发明的方法示意图；
23.图2为本发明制得电负性摩擦层的实物图；
24.图3为本发明制得电负性摩擦层的电子显微镜图；
25.图4为本发明制得非接触感应器的电荷密度图；
26.图5为本发明制得非接触感应器在不同感应距离下的的输出电压图。
具体实施方式
27.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
28.本实施例中使用的直接书写打印机为美国nordson efd公司2400多轴移动平台控制的ultimus i气动流体点胶系统。
29.一种基于直接书写打印制备三维非接触感应器的方法，其创新之处在于：该制备
方法的步骤为：
30.1)电负性摩擦层墨水配制：
31.将纸浆通过2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物过氧化法制备得到纤维素纳米纤维，所述纤维素纳米纤维与电荷捕获材料混合，1200r/min搅拌1h均匀混合后加入粘度调节剂甲基纤维素，并在离心机中以5000r/min的转速离心10min去除气泡，制得可用于打印的电负性摩擦层墨水；
32.2)电负性摩擦层打印：取3g电负性摩擦层墨水注入直接书写打印机的针筒内，将基材固定在打印平台上，以聚对苯二甲酸乙二醇酯作为打印基材，基材大小为5cm*5cm；调整针筒喷头直径与基材表面距离10μm，选用直径为840μm的喷头使打印喷头按照预设程序将摩擦层墨水在25psi的空气压力下以10mm/s的速度直接书写在基材上，得到垂直交叉网状结构的电负性摩擦层；
33.3)气凝胶基电负性摩擦层制备：将打印好的电负性摩擦层放入冷冻干燥机中冷冻，冷冻温度为-55℃，冷冻时间大于12h，得到面积为4cm*4cm的3d垂直交叉结构图案化的气凝胶基电负性摩擦层；
34.4)非接触感应器组装：将得到的气凝胶基电负性摩擦层与电极层组装成单电极结构，手与摩擦层非接触往复运动，得到非接触感应器。
35.本发明制备的非接触感应器进行非接触分离发电测试，测试时的分离距离为1cm时，对于加入电荷捕获材料的摩擦纳米发电机，最大电荷密度达到900mc/cm3，是纤维素纳米纤维的摩擦纳米发电机的1.8倍。电荷密度即使在900秒后，也能在600mc/cm3保持高电荷密度，并且随着时间的发展，仍能保持卓越的电荷保持性能。
36.本发明制备的非接触感应器工作模式为单电极模式，其结构中的电极层与电负性摩擦层相互连接作为得电子部分，得电子部分与人体垂直非接触由于静电感应改变摩擦电层的电荷分布，赋予器件动态非接触式传感特性，可以在不同的工作位移下检测到器件的电压。
37.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。