[发明专利]一种柔性电极打印墨水及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性电极打印墨水及其制备方法和应用。墨水包含聚己内酯类高分子材料、纳米导电材料和溶剂，该墨水易于通过3D打印在柔性基体表面形成性化图案，且形成的图案易于加工得到兼具超高柔韧性和导电性以及良好力学性能的柔性电极，同时，打印成型后无溶剂残留，并保持了良好的生物相容性，可应用于柔性压阻传感器和生命健康检测。

技术领域

本发明涉及一种3D打印墨水，具体涉及一种由柔性高分子材料与纳米导电材料为主要成分的适用于柔性电极打印的墨水，还涉及其制备方法和应用，属于传感器技术领域。

背景技术

轻便可穿戴的压力传感设备在软体机器人、健康监测和能源收集领域具有重要应用。目前，压力传感器件虽然种类繁多，但都具有相似的基本结构设计，包括衬底、电极、感应元件及封装材料。柔性压力传感器要求实现整个装置的灵活性，这些功能材料需要在稳定运行的前提下具有足够的灵活性。其中，电极是柔性压力传感器的核心部件，不仅要求具有良好的导电性，还需要优异的柔韧性。理想状态下，柔性压力传感器电极与衬底的机械柔性相互匹配。但是，柔性压力传感器在不同的使用场景下需要承受包括弯曲、挤压及各种方向的拉伸变形，这些较大变形容易造成电极断裂使得柔性压力传感器失效，进而限制其稳定响应的范围(Houet al,Coatings,2022,12,558)。传统电极材料如Au、Ag和铟锡氧化物等具有优良的导电性能。但是，金属的刚性会导致基体弯曲时电极产生裂纹，严重影响传感器的稳定性(Yanget al,Advanced Science,2022,9,2200507)。同时，这些电极材料的制备工艺复杂，而且诸如磁控溅射、真空蒸发、脉冲电化学沉积等制备方法限制这些材料在柔性衬底表面的电极制备。例如，真空蒸发需要高温环境，这就要求基体具有足够的耐高温性能。因此，探索研发新型兼具大变形能力和稳定、可靠电学性能的电极材料是柔性压力传感器发展需要解决的迫切问题。

高分子基导电材料兼具导电、机械性能，目前的研究进展主要是将聚合物均匀地涂覆在碳纳米材料上，固化成膜后可剥离形成导电材料制备柔性电极，或者用金属材料如金、银、铜等可以制成金属纳米粒子或金属纳米线，然后与聚合物掺杂/沉积，制备高导电性的电极，还有一些导电聚合物(聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩)可通过电沉积直接在聚合物表面沉积导电层制备电极。目前，常用于制备柔性电极的聚合物材料主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、热塑性共聚物(Ecoflex)和聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)(Hou et al,Coatings,2022,12,558)。其中，聚己内酯(PCL)是一种生物相容性的生物医用材料。相对于其它生物医用合成高分子如PLA、PGA、PLGA、PHB等具有显著的机械柔韧性优势，具有发展为柔性电极材料的潜能。目前，PCL在柔性传感器领域的应用也有一系列进展。如Paola等人将PCL通过静电纺丝制备形成微纤维膜然后被石墨烯纳米片溶液(GNPs)浸渍，得到具有压阻性能的导电表面。此方法所研制的压阻传感器对外界压力具有较高的灵敏度和良好的耐压性能(Francavillaet al,AppliedSciences-basel,2021,11,1124)。吕等人通过热压成形在石墨烯(GR)/碳纳米管(CNTs)/聚己内酯(PCL)复合材料表面构建微观结构从而制备了高灵敏度的柔性压力传感器(Luet al,IEEE TransactionsonElectronDevies,2020,69,2030-2037)。但是，将PCL开发为适用于柔性电极打印成型的研究尚未见报道

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种柔性电极打印墨水，该墨水易于通过3D打印在柔性基体表面形成性化图案，且形成的图案易于加工得到兼具超高柔韧性和导电性以及良好力学性能的柔性电极，同时，打印成型后无溶剂残留，并保持了良好的生物相容性。

本发明的第二个目的是在于提供一种柔性电极打印墨水的制备方法，其原料易得，成本低，且制备方法简单，条件温和，可以进行工业化生产。