一種多孔單疇液晶彈性體及其制備方法以及基于它的電容式柔性傳感器技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于電容式柔性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多孔單疇液晶彈性體及其制備方法以及基于它的電容式柔性傳感器。其技術(shù)要點(diǎn)如下，電容式柔性傳感器從上到下依次為上保護(hù)層、上導(dǎo)電層、介電層、下導(dǎo)電層和下保護(hù)層；其中，上導(dǎo)電層和下導(dǎo)電層為銀層；介電層為多孔單疇液晶彈性體（P

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種多孔單疇液晶彈性體及其制備方法以及基于它的電容式柔性傳感器


[0001]本專利技術(shù)屬于電容式柔性傳感器
，具體涉及一種多孔單疇液晶彈性體及其制備方法以及基于它的電容式柔性傳感器。

技術(shù)介紹

[0002]近年來，隨著柔性電子材料和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，可穿戴式柔性傳感器的發(fā)展非常迅速。可穿戴式柔性傳感器的核心技術(shù)是將外部形變有效地轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和金屬基壓力傳感器的靈敏度低，傳感范圍窄，拉伸能力有限且分辨率低，難以應(yīng)用于需要柔性接觸或可穿戴設(shè)備。而現(xiàn)有技術(shù)中適用于任意曲面的柔性壓力傳感器中，電容式壓力傳感器的應(yīng)用最為廣泛。但是電容式壓力傳感器的寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，聯(lián)接電路較為復(fù)雜。且電容式柔性壓力傳感器的介電層材料大多是PDMS和Ecoflex等材料，具有介電損耗高、介電常數(shù)低、響應(yīng)速度慢、回彈時(shí)間長、在高壓下的靈敏度較小等問題，且制備工藝復(fù)雜。
[0003]有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本專利技術(shù)人基于從事此類材料多年豐富經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)，配合理論分析，加以研究創(chuàng)新，開發(fā)一種多孔單疇液晶彈性體及其制備方法以及基于它的電容式柔性傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0004]本專利技術(shù)的第一個(gè)目的是提供一種多孔單疇液晶彈性體(P
?
mLCEs)是一種良好生物相容性的智能柔性材料，具有任意拉長壓縮、彎曲折疊、響應(yīng)快、靈敏度高等特點(diǎn)。
[0005]本專利技術(shù)的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：
[0006]本專利技術(shù)提供的多孔單疇液晶彈性體，其分子鏈上帶有雙重氫鍵和金屬配位鍵，其分子結(jié)構(gòu)式如下：
[0007][0008]其中，M
n+
表示金屬離子。
[0009]本專利技術(shù)提供一種含有雙重氫鍵和金屬配位鍵的液晶彈性體；通過引入中間體，在液晶聚合物分子鏈上嵌入含酰胺鍵和希夫堿鍵的鏈段，并摻入金屬離子，分子鏈中酰胺鍵之間形成了雙重氫鍵，希夫堿鍵與金屬離子形成配位鍵。眾所周知，介電常數(shù)是判別高分子材料的極性大小重要參數(shù)。通過此制備的離子型液晶彈性體作為介電層，由于配位鍵的形
成也進(jìn)一步增強(qiáng)了其對(duì)電荷的束縛能力，即增大了電負(fù)性。而電負(fù)性越大，可極化能力越強(qiáng)，進(jìn)而大幅度提高了其介電常數(shù)。同時(shí)，由于雙重氫鍵和金屬配位鍵同時(shí)存在，引起液晶聚合物的交聯(lián)密度增加，導(dǎo)致其斷裂拉伸強(qiáng)度急劇增大。相比其他柔性傳感器，其作為壓力傳感器的介電層時(shí)具有較快的響應(yīng)/回復(fù)速度。
[0010]同時(shí)，對(duì)液晶彈性體介電層進(jìn)行部分造孔(常規(guī)造孔方法)，進(jìn)一步提升了柔性傳感器的靈敏度，而且柔性傳感器在高溫下性能優(yōu)異。
[0011]進(jìn)一步的，M
n+
是Fe
3+
、Cu
2+
或Zn
2+
中的任意一種。中心原子(離子)與配位原子的電負(fù)性相差較小時(shí)，傾向于形成配位鍵。N原子有較高的電負(fù)性(3.04)，鐵1.83，銅1.9，鋅1.65電負(fù)性與N原子較為貼近。
[0012]本專利技術(shù)的第二個(gè)目的是提供一種多孔單疇液晶彈性體的制備方法，具有同樣的技術(shù)效果。
[0013]本專利技術(shù)的上述技術(shù)目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0014]本專利技術(shù)提供的多孔單疇液晶彈性體的制備方法，包括如下操作步驟：采用丁二酮肟和二甲基甲烷二異氰酸酯反應(yīng)制備中間體DMG
?
IP；將液晶單體RM257、擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑和催化劑溶于溶劑中，反應(yīng)結(jié)束后加入中間體DMG
?
IP、金屬鹽和光引發(fā)劑，攪拌均勻得到液晶彈性體前驅(qū)液；將液晶彈性體倒入模具中，靜置成膜，加熱后洗滌，在UV光照下機(jī)械拉伸，獲得多孔單疇液晶彈性體。
[0015]進(jìn)一步的，液晶單體RM257、擴(kuò)鏈劑與交聯(lián)劑的摩爾比為1:(0.7～0.9):(0.05～0.1)；催化劑的含量為20～50μL；液晶單體RM257、中間體DMG
?
IP和金屬鹽的摩爾比例為1:(0.05～0.25):(0.1～2)；光引發(fā)劑的含量為液晶單體0.5％wt；其中液晶單體RM257為3.2～4.0g。
[0016]進(jìn)一步的，多孔單疇液晶彈性體制備方法，具體包括如下操作步驟：
[0017]S1、中間體DMG
?
IP：將丁二酮肟與二甲基甲烷二異氰酸酯按照摩爾比為1:2溶于10mL四氫呋喃溶劑中，在氮?dú)夥諊?0
?
80℃反應(yīng)3～6h，得到中間體DMG
?
IP；
[0018]S2、液晶彈性體前驅(qū)液：將液晶單體RM257、擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑四(3
?
巰基丙酸)季戊四醇酯和催化劑二正丙胺溶于四氫呋喃溶劑中，反應(yīng)12～24h；繼續(xù)依次加入步驟S1中的DMG
?
IP、金屬鹽、光引發(fā)劑2,2
?
二甲氧基
?2?
苯基苯乙酮充分?jǐn)嚢枋蛊渫耆芙猓玫揭壕椥泽w前驅(qū)液；
[0019]S3、多孔單疇液晶彈性體：將步驟S2中液晶彈性體前驅(qū)液倒入均勻鋪滿NaCl顆粒的模具中，靜止24h后成膜；將膜置于去離子水中80℃加熱10～12h，繼續(xù)超聲1～2h，將NaCl顆粒洗出，即得到孔徑為100～200μm多孔液晶彈性體薄膜；
[0020]造孔是提升傳感器靈敏度的常用方法，并且孔徑越小，介電常數(shù)越大，靈敏度提升的越明顯。但是由于限于物理造孔技術(shù)和本專利技術(shù)材料的限制，難以得到孔徑更小的多孔液晶彈性體薄膜。然而，孔徑過大一方面會(huì)大大降低楊氏模量，降低介電層回彈性，影響靈敏度；另一方面，材料的孔隙率增加，介電常數(shù)降低，靈敏度降低。
[0021]在UV光照下機(jī)械拉伸50～100％，即可得到多孔單疇液晶彈性體。
[0022]進(jìn)一步的，交聯(lián)劑是四(3
?
巰基丙酸)季戊四醇酯。
[0023]進(jìn)一步的，引發(fā)劑是2,2
?
二甲氧基
?2?
苯基苯乙酮。
[0024]進(jìn)一步的，機(jī)械拉伸的拉伸度為50～100％。
[0025]進(jìn)一步的，擴(kuò)鏈劑為雙(2
?
巰基乙基)醚、1,4
?
丁二醇雙(巰基乙酸酯)、3,6
?
二氧雜
?
1,8
?
辛烷二硫醇中的一種。
[0026]進(jìn)一步的，金屬鹽為FeCl3、CuCl2或ZnCl2中的一種。
[0027]本專利技術(shù)的第三個(gè)目的是提供一種基于多孔單疇液晶彈性體的電容式柔性傳感器，其在0～30kPa壓力下的傳感器靈敏度為16.25
×
10
?3KPa
?1，在30～160KPa壓力下的壓力傳感靈敏度為2.08
×
10
?3KPa
?1，有效解決了其它柔性基體限制傳感器檢測(cè)極限的問題；在高溫環(huán)境下該傳感器表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能，即更快的響應(yīng)/回復(fù)速度，在25KPa下分別為20ms和34ms，進(jìn)一步拓展了該電容式傳感器應(yīng)用范圍；且該傳感器在超過200本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多孔單疇液晶彈性體，其特征在于，所述多孔單疇液晶彈性體的分子鏈上帶有雙重氫鍵和金屬配位鍵，其分子結(jié)構(gòu)式如下：其中，M
n+
表示金屬離子。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多孔單疇液晶彈性體，其特征在于，所述M
n+
是Fe
3+
、Cu
2+
或Zn
2+
中的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多孔單疇液晶彈性體的制備方法，其特征在于，包括如下操作步驟：采用丁二酮肟和二甲基甲烷二異氰酸酯反應(yīng)制備中間體DMG
?
IP；將液晶單體RM257、擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑和催化劑溶于溶劑中，反應(yīng)結(jié)束后加入中間體DMG
?
IP、金屬鹽和光引發(fā)劑，攪拌均勻得到液晶彈性體前驅(qū)液；將液晶彈性體倒入模具中，靜置成膜，加熱后洗滌，在UV光照下機(jī)械拉伸，獲得所述多孔單疇液晶彈性體。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多孔單疇液晶彈性體的制備方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑是四(3
?
巰基丙酸)季戊四醇酯。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多孔單疇液晶彈性體的制備方法，其特征在于，所述引發(fā)劑是2,2
?
二甲氧基
?2?
苯基苯乙酮。6.根...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：丁建寧，白弘宇，袁寧一，董旭，李綠洲，江瑤瑤，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：揚(yáng)州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：