表面具有微结构的离子凝胶膜、制备方法及离电式传感器与流程
本发明属于传感器领域，具体地，涉及表面具有微结构的离子凝胶膜、制备方法及离电式传感器。
背景技术：
1、基于双电层效应的超级电容器一直被用于储能设备，已经提出将这种电极和离子电解质之间产生的双电层电容用于压力传感中，具体为在两个电极板之间设置离子凝胶层形成离电式传感器。离电式传感器由于电极中电子和离子凝胶层中离子形成双电层界面，具有超电容特性，相比传统的平行板电容传感器，具有较高的灵敏度。随着机器人智能、电子皮肤、可穿戴健康等领域的发展，对压力及触觉的传感提出了更高的要求，需要高灵敏度的压力及触觉传感，然而目前的离电式传感器的灵敏度仍有限，无法满足上述领域对压力及触觉传感的要求。
2、需要说明的是，本发明的该部分内容仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然构成现有技术或公知技术。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有的离电式传感器灵敏度有限的缺陷，提供表面具有微结构的离子凝胶膜、制备方法及离电式传感器，离子凝胶膜用于离电式传感器，能够提高传感器的灵敏度。
2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了表面具有微结构的离子凝胶膜的制备方法，包括：在前驱基板上进行喷砂，得到基板，使聚合物和离子液体的混合溶液成膜于所述基板上，得到湿膜，使所述湿膜干燥固化后得到离子凝胶膜，所述前驱基板上具有弧形凹陷阵列，所述喷砂的条件包括：喷砂粒度为5000目~10000目，喷砂压力为2bar~10bar。
3、在一些优选的实施方式中，所述喷砂粒度为5000目~8000目，所述喷砂压力为5bar~10bar。
4、在一些优选的实施方式中，所述喷砂的条件还包括：喷砂时间为5s~10s，喷砂流量为0.5kg/min~2kg/min，喷砂距离为10cm~15cm，喷砂角度为45°~90°。
5、在一些优选的实施方式中，所述前驱基板选自金属板、三聚氰胺泡棉板、合金板、磨砂玻璃板、聚甲醛板中的一种。
6、在一些优选的实施方式中，所述聚合物包括pvdf-hfp、pvdf-trfe-cfe中的至少一种；所述离子液体的阴离子包括六氟磷酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺根阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、醋酸根阴离子、二氰胺根阴离子、溴阴离子、硫酸乙酯阴离子、硫氢酸根阴离子中的至少一种，所述离子液体的阳离子包括1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-己基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子中的至少一种；所述混合溶液的溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
7、在一些优选的实施方式中，所述混合溶液中，所述离子液体的质量和所述聚合物的质量的比值为0.05~1。
8、在一些优选的实施方式中，以所述混合溶液的质量为基准，所述聚合物和所述离子液体的含量之和为8wt%~ 12wt%。
9、在一些优选的实施方式中，所述弧形凹陷阵列中的弧形凹陷均匀间隔排布，每个所述弧形凹陷的形状相同，所述弧形凹陷的深度为8μm~150μm，直径为50μm~300μm，每行弧形凹陷和每列弧形凹陷中的相邻弧形凹陷的中心间距均为58μm~450μm。
10、第二方面，本发明提供一种表面具有微结构的离子凝胶膜，其采用第一方面所述的离子凝胶膜的制备方法制备得到，其一侧表面具有弧形凸起阵列，弧形凸起的表面具有粗糙结构，所述粗糙结构形成所述微结构。
11、在一些优选的实施方式中，所述弧形凸起表面的粗糙结构的平均直径为1.5μm~3.2μm。
12、在一些优选的实施方式中，所述弧形凸起阵列中的弧形凸起均匀间隔排布，每个所述弧形凸起的形状相同，所述弧形凸起的高度为8μm~150μm，直径为50μm~300μm，每行弧形凸起和每列弧形凸起中的相邻弧形凸起的中心间距均为58μm~450μm。
13、第三方面，本发明提供一种离电式力学传感器，其具有极板和位于两个所述极板之间的第一方面所述制备方法制备得到的离子凝胶膜或第二方面所述的离子凝胶膜。
14、本发明的离子凝胶膜的制备方法，在具有弧形凹陷阵列的前驱基板上进行喷砂，喷砂粒度为 5000目~10000目，喷砂压力为2bar~10bar，能够在前驱基板的弧形凹陷的表面形成特定的微结构（粗糙结构形成微结构），该微结构具有微小的凹凸形状，在具有特定微结构的基板上成膜固化后，能够得到表面具有弧形凸起阵列，弧形凸起表面具有特定微结构的离子凝胶膜，即弧形凸起表面具有微小的凸凹形状。现有的聚合物离子凝胶膜电容传感器，依靠力或应变变化引起薄膜厚度变化，薄膜厚度变化引起电容变化，将电容变化转换为电信号，从而传感力或应变，单位量力或应变变化所致的电容变化的响应量较小，灵敏度有限。发明人发现凝胶膜的表面具有弧形凸起阵列时，当电容传感器受到力或应变时，凝胶膜和电极的接触面积被改变，电容被改变，能够提高传感器的灵敏度，然而发明人意外地发现，当聚合物离子凝胶膜受到较小的力或应变时，应力曲线迟滞，灵敏度有限，深入分析原因可能是光滑规则的弧形凸起表面膜致密，且弧形凸起下压时内部分子相互挤压导致承压能力强，在小压力下横向内部挤压应力支撑导致变形不明显，凝胶膜和电极的接触面积变化小，且凝胶膜和电极的初始接触面积大（未受力时），进而导致当聚合物离子凝胶膜受到较小的力或应变时，随着受力增加，凝胶膜和电极的接触面积增长率有限，灵敏度有限，发明人进一步发现在具有弧形凹陷阵列的前驱基板上进行特定条件的喷砂，在弧形凹陷的表面形成特定的微结构，倒膜后在凝胶膜的弧形凸起的表面形成特定的微结构，一方面能够降低弧形凸起下压时内部分子的相互挤压，能够降低承压能力，能够增大在凝胶膜受到较小的力或应变时的变形，另一方面能够降低凝胶膜和电极的初始接触面积，从而能够使得在凝胶膜受到较小的力或应变时随着受力增加，提高凝胶膜和电极的接触面积增长率。此外，微凸凹使得离子液体的表面通道变宽，更有利于离子液体的流动，进而能够更迅速的体现电容的变化，提高灵敏度。综上，本申请的凝胶膜可提高聚合物离子凝胶膜受到较小的力或应变时的灵敏度，在聚合物离子凝胶膜受到较大的力或应变时也能够提高传感灵敏度。
15、本发明的离子凝胶膜，其一侧表面具有弧形凸起阵列，弧形凸起的表面具有粗糙结构，用于离电式力学传感器，具有显著提高的灵敏度。
技术特征：
1.一种表面具有微结构的离子凝胶膜的制备方法，其特征在于，包括：在前驱基板上进行喷砂，得到基板，使聚合物和离子液体的混合溶液成膜于所述基板上，得到湿膜，使所述湿膜干燥固化后得到离子凝胶膜，所述前驱基板上具有弧形凹陷阵列，所述喷砂的条件包括：喷砂粒度为5000目~10000目，喷砂压力为2bar~10bar。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂粒度为5000目~8000目，所述喷砂压力为5bar~10bar。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷砂的条件还包括：喷砂时间为5s~10s，喷砂流量为0.5kg/min~2kg/min，喷砂距离为10cm~15cm，喷砂角度为45°~90°。
4.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述前驱基板选自金属板、三聚氰胺泡棉板、合金板、磨砂玻璃板、聚甲醛板中的一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物包括pvdf-hfp、pvdf-trfe-cfe中的至少一种；所述离子液体的阴离子包括六氟磷酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺根阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、醋酸根阴离子、二氰胺根阴离子、溴阴离子、硫酸乙酯阴离子、硫氢酸根阴离子中的至少一种，所述离子液体的阳离子包括1-乙基-3-甲基咪唑阳离子、1-丁基-3-甲基咪唑阳离子、1-己基-3-甲基咪唑阳离子、1-辛基-3-甲基咪唑阳离子中的至少一种；所述混合溶液的溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺、丙酮、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，所述离子液体的质量和所述聚合物的质量的比值为0.05~1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以所述混合溶液的质量为基准，所述聚合物和所述离子液体的含量之和为8wt%~ 12wt%。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述弧形凹陷阵列中的弧形凹陷均匀间隔排布，每个所述弧形凹陷的形状相同，所述弧形凹陷的深度为8μm~150μm，直径为50μm~300μm，每行弧形凹陷和每列弧形凹陷中的相邻弧形凹陷的中心间距均为58μm~450μm。
9.一种表面具有微结构的离子凝胶膜，其特征在于，其采用权利要求1~8任一项所述的离子凝胶膜的制备方法制备得到，其一侧表面具有弧形凸起阵列，弧形凸起的表面具有粗糙结构，所述粗糙结构形成所述微结构。
10.根据权利要求9所述的离子凝胶膜，其特征在于，所述弧形凸起表面的粗糙结构的平均直径为1.5μm~3.2μm。
11.根据权利要求9所述的离子凝胶膜，其特征在于，所述弧形凸起阵列中的弧形凸起均匀间隔排布，每个所述弧形凸起的形状相同，所述弧形凸起的高度为8μm~150μm，直径为50μm~300μm，每行弧形凸起和每列弧形凸起中的相邻弧形凸起的中心间距均为58μm~450μm。
12.一种离电式力学传感器，其特征在于，其具有极板和位于两个所述极板之间的权利要求1~8任一项所述的制备方法制备得到的离子凝胶膜或权利要求9~11任一项所述的离子凝胶膜。
技术总结
本发明属于传感器领域，涉及表面具有微结构的离子凝胶膜、制备方法及离电式传感器。制备方法包括：在前驱基板上进行喷砂，得到基板，使聚合物和离子液体的混合溶液成膜于所述基板上，得到湿膜，使所述湿膜干燥固化后得到离子凝胶膜，所述前驱基板上具有弧形凹陷阵列，所述喷砂的条件包括：喷砂粒度为5000目~10000目，喷砂压力为2bar~10bar。离子凝胶膜用于离电式传感器，能够提高传感器的检测灵敏度。
技术研发人员：陈立洋,佟超
受保护的技术使用者：悟通感控（北京）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5