一种对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器及其制备方法和应用与流程

本发明属于传感器制备，具体涉及一种对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、离子凝胶作为离电型柔性压力传感器的功能材料受到了越来越多的人关注和研究。虽然近些年来柔性电容式压力传感器的发展速度很迅猛，性能也在不断优化，但仍存在现实生活中使用上的问题，其根本原因是研究者们往往只关注传感器的传感性能与机械性能，而忽略其对于环境的稳定性，这就使得传感器难以在变化的外界条件下进行长期稳定的监测。如湿度作为环境因素中十分重要的一环却常常不被关注。为了确保传感器在工程应用中的长期稳定运行，由离子凝胶制成的离电传感器应该能耐受较大的湿度变化。然而，往往机械性能优异的离子凝胶对于湿度的抵抗能力是比较差的，这是由于考虑到离子液体相容性的问题。

2、现有技术中研究的离子凝胶主要可以分成两类：一类为具有优异机械性能的亲水离子凝胶；而另一类为具有较差机械性能的疏水离子凝胶。目前，已有的大部分离电式压力传感器所使用的离子凝胶都是由具有强极性的亲水单体与离子液体混溶制备的，强极性键的存在使得离子凝胶具有较强的力学强度。尽管其具有较好的机械性能，但是离子凝胶几乎无法承受我们日常生活的湿度变化(10％～100％相对湿度)。特别是在高湿度的环境中，将会导致离子凝胶的溶胀和性能变化，显示出极差的湿度稳定性。如现有技术中公开了aac-co-aam+emies离子液体，具有较强的机械性能。但两个组分均为亲水组分，具有极差的湿度稳定性。进一步的，由于湿度变化带来的影响使得基于此类离子凝胶的离电型压力传感器往往不能准确识别出压力的大小。

3、而现有的另一类离子凝胶在保证疏水或湿度稳定的前提下又几乎没有良好的机械性能，这是由于疏水单体的弱极性使得分子链之间的相互作用力较弱，离子凝胶的力学强度较差，直接影响着基于此类离子凝胶制备的柔性压力传感器的线性度、量程、响应时间等传感性能，极大地阻碍了离电型柔性压力传感器的发展和实际应用。如现有技术中公开了ea+[bmmim][tfsi]离子液体，尽管两个组分都是疏水的具有较强的湿度稳定性，但两组分分子链间几乎没有相互作用力，具有较差的机械性能。不仅如此，大多数的疏水离子凝胶的制备是通过疏水的单体与离子液体混合后固化聚合，但是疏水的单体往往极性较弱，离子液体与单体不能很好的互溶，极大的限制了材料的选择，也进一步遏制了疏水离子凝胶的发展。

4、因此，如何平衡离子凝胶功能材料中湿度不敏感和优异的机械性能是本领域技术人员亟待解决的问题，也是推动离子凝胶进一步发展的重中之重，再进一步的，为推动湿度不敏感的离电型柔性压力传感器的技术发展提供了可能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器，具体通过对离子凝胶材料的合成设计，制备得到一种既对湿度不敏感，又具有优异机械性能的离子凝胶材料。基于此离子凝胶作为传感功能层制备得到的离电型柔性压力传感器在保证优异的传感性能的同时，还可以在高湿度的外界环境下进行长期稳定的信号监测，极大程度上推动了离电皮肤的发展，使离电型压力传感器在极端条件下的长期应用成为可能。

2、为实现上述目的，本发明提供一种对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器，具体包括离子凝胶层、电极层和封装层；

3、其中，离子凝胶层是通过强极性的亲水单体丙烯腈和疏水单体丙烯酸乙酯共聚，得到疏水性的聚丙烯腈和聚丙稀酸乙酯的共聚物，产生湿度不敏感性能；再利用聚丙烯酸乙酯和聚丙烯腈在特定离子液体中的溶解度差异构建相分离，从而得到兼顾机械性能和湿度不敏感的传感功能材料。

4、在一优选的实施方式中，所述离子凝胶层的制备方法包括：

5、将聚合物单体、离子液体、交联剂和引发剂混合，得到澄清溶液；再将溶液进行聚合反应，即得兼顾机械性能和湿度不敏感的传感功能材料；其中，所述聚合物单体由丙烯腈单体和丙烯酸乙酯单体组成；

6、所述离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐；

7、所述引发剂包括光引发剂、热引发剂和氧化还原引发剂中的一种或多种。

8、优选的，所述聚合物单体中，丙烯酸乙酯单体和丙烯腈单体的质量比为5:5-2:8；更优选的，所述聚合物单体中，丙烯酸乙酯单体和丙烯腈单体的质量比为5:5、4:6、3:7和2:8。

9、单体是为离子液体提供聚合物骨架，使得整个共聚物凝胶化。在本发明中，所用聚合物单体包括特定质量比的丙烯酸乙酯和丙烯腈，由于聚丙烯酸乙酯与所用离子液体具有良好的相容性，这形成了均匀透明的聚丙烯酸乙酯离子凝胶网络，赋予离子凝胶一定的拉伸性。相比之下，聚丙烯腈与所用离子液体的相容性较差，聚丙烯腈离子凝胶发白、变脆，在发生相分离现象的同时聚丙烯腈内部产生结晶现象，赋予离子凝胶较高的模量与强度。本发明通过设计、调控丙烯酸乙酯与丙烯腈的含量可以获得既包含富丙烯酸乙酯链段与离子液体组成的软离子液体连续相，又包含富丙烯腈链段组成的硬结晶聚合物连续相，使得所制备的离子凝胶在保证具有一定的拉伸性的前提下又具有高模量、高强度等特性，不会发生脆性失效。

10、优选的，所述离子液体和聚合物单体(丙烯腈单体和丙烯酸乙酯单体合计)的质量比为(0.5-1.5):1；更优选的，所述离子液体和聚合物单体的质量比为1:1。

11、本发明所用离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(emim[tfsi])为离子凝胶提供导电的通道，主要起到导离子的作用。将其与丙烯腈单体和丙烯酸乙酯单体以一定比例混合聚合反应，与离子液体溶解度好的聚丙烯酸乙酯与离子液体形成一个连续相，而与离子液体溶解度差的聚丙烯腈也单独形成一个连续相，双连续相的存在使得离子凝胶的力学性能得到显著的提升。从而得到兼顾优异的力学性能和湿度不敏感的双重优势。所用离子液体的含量越高，材料的电导率越高，离子液体用量的提高也会使得离子凝胶材料的强度和模量有所下降，但拉伸性会有所增强。因此，将离子液体用量设计在前述范围内。

12、优选的，所述交联剂包括三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯；所述交联剂和聚合物单体的质量比为(0.05-0.3):1；更优选的，所述交联剂和聚合物单体的质量比为0.3:1。

13、优选的，所述引发剂包括(2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦；所述引发剂和聚合物单体的质量比为(0.003-0.007):1；更优选的，所述引发剂和聚合物单体的质量比为0.005:1。

14、对于本发明材料而言，不同交联剂的含量直接影响离子凝胶材料的交联度，其中交联度越高，分子链之间的缠结更紧密，材料的强度和模量会变高，但拉伸性会有所下降、变脆。因此本发明在达到湿度不敏感的前提下，为得到优异的力学性能设计前述引发剂用量。

15、优选的，所述聚合反应条件为：光源功率6-10w，功率密度500-700mj/cm2，波长365nm，光照聚合时间40min-2h；更优选的，所述聚合反应条件为：光源功率8w，功率密度600mj/cm2，波长365nm，光照聚合时间60min。

16、在一优选的实施方式中，所述离子凝胶层的制备方法具体包括：

17、依次向棕色试剂瓶中加入光引发剂、离子液体、丙烯腈单体和丙烯酸乙酯单体后振荡摇匀，得到澄清的溶液即为离子凝胶前体液；

18、分别向两个玻璃片上粘接聚乙烯(pe)离型膜，将硅胶垫片放置于两块表面包裹pe离型膜的玻璃板四周后把配置好的离子凝胶前体液滴入之间的缝隙中，从而可通过改变硅胶垫片的厚度来调节离子凝胶的厚度；

19、将富含离子液体前驱液的玻璃板放入紫外固化箱中，在365nm的波长下以8瓦的功率固化60分钟，即可完成离子凝胶的制备。

20、在一优选的实施方式中，所述电极层包括pi/cu复合薄膜。

21、在一优选的实施方式中，所述封装层包括pdms薄膜。

22、本发明所用电极层和封装层均可购买常规市售产品，来源广泛，成本低廉，质控稳定，普适性强。

23、本发明的另一目的在于提供一种制备上述任意一项对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器的方法，包括将封装层、电极层和离子凝胶层按三明治结构封装即可，整体方法简单、高效。

24、为实现上述目的，本发明提供一种对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器的方法，具体包括以下步骤：

25、由上到下依次将上封装层、上电极层、离子凝胶层、下电极层和下封装层对齐封装，即得。

26、在一优选的实施方式中，所述上封装层和下封装层均为pdms薄膜，厚度分别为100-300μm，优选的，所述上封装层和下封装层的厚度分别为200μm和200μm。

27、在一优选的实施方式中，所述上电极层和下电极层均为pi/cu复合薄膜，厚度分别为40-60μm，优选的，所述上电极层和下电极层均为pi/cu复合薄膜，厚度分别为48μm和48μm。

28、在一优选的实施方式中，所述离子凝胶层厚度为100-150μm，优选的，所述离子凝胶层厚度为120μm。

29、在一优选的实施方式中，所述电极层和离子凝胶层之间还包括隔离垫片，所述隔离垫片材质为pet双面胶。

30、在一优选的实施方式中，为使各个稳固粘接，可采用本领域技术人员常规方法，如使用等离子机对各界面进行处理。

31、本发明的另一目的在于提供上述任意一项对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器，在健康监测、可穿戴设备、机器人触觉、虚拟现实领域中的应用。

32、在一优选的实施方式中，将所述对湿度不敏感的离电型柔性压力传感器粘附到待监测部位，即可准确反映该处的受力状况；所适用量程小到如测量指尖的脉搏信号，大到可以采集2000kpa的触觉分析，具有极大的量程应用范围。

33、与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

34、本发明一方面选择了有强极性的亲水单体丙烯腈(an)和疏水单体丙烯酸乙酯(ea)与特定离子液体按比例互溶，共聚后an的聚合产物聚丙烯腈(pan)又是疏水的，为所制备的共聚物离子凝胶提供湿度不敏感的性能。另一方面，本发明通过合理的材料配比在离子凝胶中构建相分离从而改善材料械性能差的问题。利用聚丙烯酸乙酯和聚丙烯腈在离子液体中的溶解度差异在离子凝胶构建相分离，与离子液体溶解度好的聚丙烯酸乙酯与离子液体形成一个连续相，而与离子液体溶解度差的聚丙烯腈也单独形成一个连续相，双连续相的存在使得离子凝胶的力学性能得到显著的提升。再通过不同的单体比例调控相分离的程度使其足够均匀，从而极大程度的提高离子凝胶的机械性能，进一步解决离子凝胶机械性能不好的问题。

35、本发明通过简单化的离子凝胶制备工艺不仅解决了目前离子凝胶良好的机械性能与疏水性之间的主要矛盾，也提高了离子凝胶材料的一致性和可重复性，为制备疏水离子凝胶提供了一种便携、高效的新方法。

36、不仅如此，疏水离子凝胶材料分别在机械性能与湿度稳定性能测试中的优异表现也为基于此离子凝胶所制备离电型压力传感器提供了更广阔的实际应用场景，以此离子凝胶材料制备得到的传感器可在高湿度的环境中稳定提供准确的检测数据。