一种柔性图案化电极的制备和柔性电子设备
技术领域
本发明涉及一种利用个性化PDMS模板制备图案化柔性电极及其制备方法和柔性电子设备。
背景技术
近年来，随着柔性电子设备的兴起，柔性电极也成为研究热点，但柔性电极的可弯曲性及其图案单一性严重制约了柔性电子设备的发展。在用于柔性电极的材料中，碳材料是应用最广泛的一类，因为碳材料具有良好的物理化学稳定性、力学性能和环境友好性等优点，尤其是其超高的比表面积和良好的导电性使它成为当前的研究热点，被应用到大多数的电极制备过程中。此外，在碳材料中，碳纳米管相比石墨烯具有成本低廉的优势，所以碳纳米管也被认为是制备柔性电极的首选材料。但是，碳纳米管所制备的薄膜韧性低，无法大程度的弯曲、折叠，且目前采用碳纳米管所制备而成的电极图案单一，较难实现复杂图案的制备，这在实际应用中存在一定的局限性，尤其是在可穿戴领域。
目前的柔性电极材料的制备方法有以下几种：
1、化学气相沉积：化学气相沉积是一种制备无机膜等材料的化工技术，目前被广泛应用制备石墨烯薄膜，也可以用化学气相沉积技术在碳纤维基底上沉积活性物质，用于催化或者能源储备等。将碳纤维基底放在化学气相沉积炉中，在沉积区通入金属化合物活性物质高温气化粉尘，即可得到沉积均匀的金属化合物复合纤维电极层。
2、静电喷涂法：静电喷涂是利用电作用使活性物质喷涂在碳钎维基底表面的一种方法。实验中氧化石墨烯经过hummer改进后的方法获得，然后在去离子水种超声两小时，将超声好的氧化石墨烯和无水乙醇搅拌30分钟，随后，将混合后的溶液在18kV工作电压下以0.5mm每分钟的注入速度电喷涂到镍层的表面上，此外，喷雾沉积过程的温度为50℃，目的是快速蒸发溶剂(乙醇-水混合物)，这有助于形成均匀的氧化石墨烯电极层。
3、旋涂法：首先将制备出的导电材料(银纳米线、碳纳米管、石墨烯等)搅拌均匀，然后利用旋涂机在柔性基底上旋涂形成柔性电极层。实验中将获得的银纳米线溶液在PET基底上以1000转每分钟旋涂20s形成AgNW-PET柔性电极，随后利用焊接法使银纳米线交叉的节点焊接在一起，促进薄膜的导电性。
4、静电纺丝：静电纺丝是利用强电场作用将聚合物溶液通过注射器进行喷射纺丝。具体来说在强静电场作用下注射器针头处的液滴会由球形变为圆锥形即形成“泰勒锥”，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝，然后吸附在覆盖有铝箔或者锡箔的平板或者滚筒接收器上。实验中的PVB/SnCl2 NWs是静电纺丝到旋涂有疏水性的PVB薄膜上，随后将其沉浸在硝酸银溶液中形成银的催化种子层。然后冲洗样品并转移到电解沉积溶液中形成银纳米线层。
虽然上述几种方法都可以制备柔性电极及柔性电极材料且导电性能较好，但所制备的电极图案单一，不能很好的根据需求制作其他图案，这在实际应用中会造成其它方面的成本升高、适用范围有限等问题。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能够制备复杂图案且能够较大程度的弯曲、折叠的柔性电极及其制备方法。
一种利用PDMS制备图案化柔性电极的方法，包括如下步骤：
在滤纸上形成第一聚二甲基硅氧烷层；
将形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸进行个性化图案化切割；
将碳纳米管和无水乙醇混合超声分散，再与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸混合得到混合液；
将所述混合液于个性化图案化切割后的形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸上进行抽滤，形成电极层；及
在所述电极层上形成第二聚二甲基硅氧烷层，经加热固化，得到柔性电极。
在其中一些实施例中，所述在滤纸上形成第一聚二甲基硅氧烷层的步骤包括：将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液涂敷在滤纸上，经干燥，形成所述第一聚二甲基硅氧烷层。
在其中一些实施例中，所述将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液涂敷在滤纸上的方法为旋涂，旋涂速度是400-700rpm，旋涂时间是8s-15s，所述第一聚二甲基硅氧烷层的厚度50-200微米。
在其中一些实施例中，所述切割的方法为激光切割。
在其中一些实施例中，所述将碳纳米管和无水乙醇混合超声分散，再与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸混合得到混合液的步骤包括：
将所述碳纳米管分散在无水乙醇中，得到碳纳米管的分散液；及
将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液混合，得到所述混合液。
在其中一些实施例中，所述将所述碳纳米管分散在所述无水乙醇中，得到碳纳米管的分散液的步骤包括：
将所述碳纳米管与所述无水乙醇混合并在0℃下超声分散，得到混合物；
将所述混合物离心处理，取上清液，得到所述碳纳米管的分散液；
及/或，将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液混合的步骤包括：将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液混合，然后进行超声分散。
在其中一些实施例中，所述在0℃下超声分散的步骤是在冰浴环境下进行的。
在其中一些实施例中，所述碳纳米管与所述无水乙醇的固液比为0.002-0.008:50-150ml；及/或，所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸3-8ml与所述碳纳米管的分散液的体积比为3-8ml。
在其中一些实施例中，所述在所述电极层上形成第二聚二甲基硅氧烷层的步骤包括：将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液倒在所述电极层上。
在其中一些实施例中，所述含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液的制备步骤包括：将所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂混合，经搅拌和脱气，得到所述含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液。
在其中一些实施例中，所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂的质量比为8:1-10:1；及/或，所述固化剂为聚二甲基硅氧烷固化剂。
在其中一些实施例中，所述加热固化的步骤包括：在70-95℃下加热15-60分钟。
在其中一些实施例中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
另外，本发明还提供了一种所述的柔性电极的制备方法制备得到的柔性电极。
另外，本发明还提供了，包括所述的柔性电极的一种柔性电子设备。
在其中一些实施例中，所述柔性电子设备为可穿戴式电子设备。
在其中一些实施例中，所述柔性电子设备为柔性显示屏或植入式医疗器械。
此外，还提供一种柔性电子设备。
相对于现有技术，本发明提供的柔性电极的制备方法，在滤纸上形成第一聚二甲基硅氧烷层，将形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸进行个性化图案化切割，将碳纳米管和无水乙醇混合超声分散，再与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸混合得到混合液，将所述混合液于个性化图案化切割后的形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸上进行抽滤，形成电极层；在所述电极层上形成第二聚二甲基硅氧烷层，经加热固化，得到柔性电极，本发明利用个性化PDMS模板制备的碳纳米管柔性图案化电极，可以任意改变其形态，可以使其与任意曲面贴合使用，扩大了使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施方式的柔性电极的制备流程图。
图2为一实施方式的经个性化图案化切割后形成有第一聚二甲基硅氧烷层的滤纸的结构示意图。
图3为一实施方式的制备电极层的原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，为本发明一实施方式的提供的柔性电极的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：在滤纸上形成第一聚二甲基硅氧烷层。
在其中一个实施例中，在滤纸上形成第一聚二甲基硅氧烷层包括下述步骤：将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液涂敷在滤纸上，经干燥，形成所述第一聚二甲基硅氧烷层。
在其中一个实施例中，所述将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液涂敷在滤纸上的方法为旋涂，旋涂速度是400-700rpm，旋涂时间是8s-15s，所述第一聚二甲基硅氧烷层的厚度50-200微米。
步骤S120：将形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸进行个性化图案化切割。
具体地，所述切割的方法为激光切割。
请参阅图2，为经个性化图案化切割后形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸的结构示意图。
步骤S130：将碳纳米管和无水乙醇混合超声分散，再与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸混合得到混合液。
在其中一个实施例中，将碳纳米管和无水乙醇混合超声分散，再与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸混合得到混合液的步骤包括：将所述碳纳米管分散在所述无水乙醇中，得到碳纳米管的分散液；及将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液混合，得到所述混合液。
具体地，所述将所述碳纳米管分散在所述无水乙醇中，得到碳纳米管的分散液的步骤包括：将所述碳纳米管与所述无水乙醇混合并，在0℃下超声分散，得到混合物；将所述混合物离心处理，取上清液，得到所述碳纳米管的分散液；及/或，将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液混合的步骤包括：将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液混合，然后进行超声分散。
进一步地，所述在0℃下超声分散的步骤是在冰浴环境下进行的。
在其中一个实施例中，所述碳纳米管与所述无水乙醇的固液比为0.002-0.008:50-150ml；及/或，所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸3-8ml与所述碳纳米管的分散液的体积比为3-8ml。
步骤S140：将所述混合液于个性化图案化切割后的形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸上进行抽滤，形成电极层。请参阅图3，为本实施例制备电极层的原理示意图。
步骤S150：在所述电极层上形成第二聚二甲基硅氧烷层，经加热固化，得到柔性电极。
在其中一些实施例中，所述在所述电极层上形成第二聚二甲基硅氧烷层的步骤包括：将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液倒在所述电极层上。
其中，所述含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液的制备步骤包括：将所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂混合，经搅拌和脱气，得到所述含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液。
在其中一些实施例中，所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂的质量比为8:1-10:1；及/或，所述固化剂为聚二甲基硅氧烷固化剂。
所述加热固化的步骤包括：在70-95℃下加热15-60分钟。
上述柔性电极的制备方法，在滤纸上形成第一聚二甲基硅氧烷层，将形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸进行个性化图案化切割，将碳纳米管和无水乙醇混合超声分散，再与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸混合得到混合液，将所述混合液于个性化图案化切割后的形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸上进行抽滤，形成电极层；在所述电极层上形成第二聚二甲基硅氧烷层，经加热固化，得到柔性电极，本发明利用个性化PDMS模板制备的碳纳米管柔性图案化电极，可以任意改变其形态，可以使其与任意曲面贴合使用，扩大了使用范围。
且上述制备方法操作简单，同时，由于PDMS本身具有的生物相容性，低成本，无毒等特性，配合简单的结构和外接电路，极大的降低了传感器的加工难度和制备成本。
一实施方式的所述的柔性电极的制备方法制备得到的柔性电极及包括所述的柔性电极的一种柔性电子设备，柔性电子设备为可穿戴式电子设备、柔性显示屏或植入式医疗器械。该柔性电子设备通过采用上述柔性电极，能够使其具有较高的灵敏度、较高的精度，较大的感测范围以及较长的使用寿命。
以下为具体实施例部分：
实施例1
本实施的触觉传感器的制备过程如下：
(1)将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液以400rpm旋涂在滤纸上，经干燥，形成所述第一聚二甲基硅氧烷层。
(2)将形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸进行个性化图案化切割。
(3)在冰浴环境下，将所述碳纳米管与所述无水乙醇按固液比为0.004g：80ml，将所述碳纳米管与所述无水乙醇混合并，在0℃下超声分散，得到混合物，将所述混合物离心处理，取上清液，得到所述碳纳米管的分散液，将所述聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸与所述碳纳米管的分散液的体积比为5ml混合，然后进行超声分散，得到所述混合液；
(4)将形成有所述第一聚二甲基硅氧烷层的所述滤纸进行激光切割，将所述混合液置于所述第一聚二甲基硅氧烷层上，经抽滤，形成电极层；
(5)将所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂混合，经搅拌和脱气，得到所述含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液，其中，所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂的质量比为5：0.5；所述固化剂为聚二甲基硅氧烷固化剂，将含有聚二甲基硅氧烷和固化剂的溶液倒在所述电极层上，经90℃下加热20分钟，加热固化，得到柔性电极。
实施例2
本实施例的柔性电极的制备过程与实施例1大致相同，区别在于，本实施例的步骤(2)的碳纳米管为多壁碳纳米管。
测试：
采用胜利仪器(Victor)VC9806数字万用表对实施例1～2的柔性电极的电阻值进行测试，以获得对应的柔性电极的导电性。测试数据大于50次，取算数平均值列于下表。采用Mark-10 Corporation的ESM303的力学试验机对实施例1～2的柔性电极的弯曲、扭转性进行测试，以获得对应的柔性电极的弯曲、扭转性能。测试数据取最大值列于下表。
表1
从表1中可以看出，本发明上述实施例提供的柔性电极具备较佳的导电性能及弯曲性能和较大的扭转角度。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
