一种具有多孔结构的可拉伸弹性体的制备方法与流程

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种具有多孔结构的可拉伸弹性体的制备方法。

背景技术：

随着科技水平和生活水平的不断提高，人体的运动状态、呼吸状况、体温和血压等各项身体和生理指标受到更多关注。基于这样的需求和人体各部位对可拉伸特性的依赖，可拉伸材料成为检测人体指标的重要材料然而，人体关节部位极大应变的特点对材料的可拉伸性提出了更大的挑战。同时，在应变传感领域，高应变拉伸的监测也给衬底材料的可拉伸性能提出更高要求。由于具有很好的可拉伸性与生物兼容性，硅橡胶等弹性体被广泛用作电子皮肤的衬底材料，但其拉伸性能受到材料固有特性的限制。

为了突破材料的固有性能对拉伸能力的限制，Park J.等提出了一种通过光刻法引入立体结构，分散应力的策略，从而达到超可拉伸的技术范围。不过由于光刻成本，加工面积和光刻深度的限制，该方法很难用于低成本、大面积的超可拉伸材料的制备中。基于同样的思路，Duan S.等也提出了利用3D打印技术制备立体弹性体的方案,但3D打印的尺寸(约200微米)也极大限制了弹性体的厚度。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种具有多孔结构的可拉伸弹性体的制备方法，制备方法具有极高的可控性。

所述具有多孔结构的弹性体的制备方法包括：

步骤一，获取衬底；

步骤二，在所述衬底上制备预定厚度的薄膜，作为牺牲层；

步骤三，在所述牺牲层上制备微球阵列；

步骤四，将液态材料加入到所述微球阵列的间隙中，利用热固化的方法，把所述液态材料固化成弹性体；

步骤五，通过化学方法从所述弹性体中去除所述微球阵列，并使所述弹性体与所述衬底分离，生成具有多孔结构的弹性体。

所述步骤三之后，所述步骤四之前，所述方法还包括：利用刻蚀的方法，去除局部区域的所述PS微球阵列；

所述步骤四具体为：将液态材料加入到去除局部区域的所述PS微球阵列的间隙中，再利用热固化的方法，把所述液态材料固化成弹性体。

所述步骤三具体为：利用预设沉降位置的方法，制备具有图形的微球阵列；

所述步骤四具体为：将液态材料加入到所述具有图形的微球阵列的间隙中，再利用热固化的方法，把所述液态材料固化成弹性体。

所述微球阵列中的微球为由聚合物组成。

所述微球阵列中的微球为由聚苯乙烯PS、或壳聚糖、或甲基丙烯酸环氧丙脂组成。

所述液态材料由具有从液态转变到固态能力，且固态时具有可拉伸性能的聚合物材料组成。

所述聚合物材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、Solaris硅橡胶。

所述衬底为由无机氧化物组成的衬底。可选的，所述衬底为玻璃衬底。

所述薄膜为由由高分子有机物材料组成。可选的，所述薄膜为聚苯乙烯薄膜。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例中，多孔弹性体的孔隙大小可以通过微球的尺寸进行调控；多孔弹性体的面积可以通过微球排布的面积进行调控；多孔弹性体的厚度可以通过微球排布的厚度和所加PDMS的量进行调控。因此，多孔弹性体具有孔径、厚度、面积等多尺度可控的特性，本发明所提供的制备方法具有极高的可控性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的具有多孔结构的弹性体的制备方法的示意图；

图2为本发明的自组装的微球阵列的侧视图；

图3为本发明的微球阵列嵌入在弹性体中的侧视图；

图4为本发明的多孔可拉伸弹性体的侧视图；

图5A和图5B分别为自组装微球阵列和多孔弹性体表面的扫描电子显微镜的照片；

图6为多孔弹性体图形化设计的俯视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

以下结合图1-图6进行描述。

如图1所示，为本发明所述的具有多孔结构的弹性体的制备方法，所述方法包括：

步骤11，获取衬底3；

步骤12，在所述衬底3上制备预定厚度的薄膜，作为牺牲层2；

步骤13，在所述牺牲层2上制备微球阵列1；

步骤14，将液态材料加入到所述微球阵列1的间隙中，利用热固化的方法，把所述液态材料固化成弹性体4；

步骤15，通过化学方法从所述弹性体4中去除所述微球阵列1，并使所述弹性体4与所述衬底3分离，生成具有多孔结构的弹性体4。

可选的，所述步骤13之后，所述步骤14之前，所述方法还包括：利用刻蚀的方法，去除局部区域的所述PS微球阵列；

相应的，所述步骤4具体为：将液态材料加入到去除局部区域的所述PS微球阵列的间隙中，再利用热固化的方法，把所述液态材料固化成弹性体。

可选的，所述步骤13具体为：利用预设沉降位置的方法，制备具有图形的微球阵列；

相应的，所述步骤14具体为：将液态材料加入到所述具有图形的微球阵列的间隙中，再利用热固化的方法，把所述液态材料固化成弹性体。

所述微球阵列中的微球为为由聚合物组成。例如，由聚苯乙烯PS、或壳 聚糖、或甲基丙烯酸环氧丙脂组成。

所述液态材料由具有从液态转变到固态能力，且固态时具有可拉伸性能的聚合物材料组成。

所述聚合物材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、Solaris硅橡胶。

所述衬底为由无机氧化物组成的衬底。例如，所述衬底为玻璃衬底。

所述薄膜为由由高分子有机物材料组成。例如，所述薄膜为聚苯乙烯薄膜材料组成。

本发明具有以下有益效果：

(1)多孔弹性体的孔隙大小可以通过微球的尺寸进行调控；多孔弹性体的面积可以通过微球排布的面积进行调控；多孔弹性体的厚度可以通过微球排布的厚度和所加PDMS的量进行调控。因此，多孔弹性体具有孔径、厚度、面积等多尺度可控的特性，本发明所提供的制备方法具有极高的可控性。

(2)本发明中的立体结构可以分散材料内部应力，提升块体材料的拉伸能力，从而在本发明中实现超可拉伸的特性。

(3)本发明提出的牺牲层技术，使弹性体和衬底的分离变得易操作。

以下描述本发明的另一实施例。

一种具有多孔结构的可拉伸弹性体的大面积制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制备牺牲层及微球阵列。

其中，所述牺牲层是用来防止弹性体与衬底粘附，便于分离的牺牲材料。例如，在实施例中使用了聚苯乙烯薄膜，便于和聚苯乙烯微球同时溶解。

所述微球阵列是由微球通过物理方法自组装而成的球体阵列。所述微球是通过化学或物理方法合成的、尺寸可调节的写聚合物微球球体或类球体(尺寸可以在1nm至250μm范围内调节)，材质可以是：聚苯乙烯(PS)、 壳聚糖、甲基丙烯酸环氧丙脂等。所述自组装法是指利用毛细作用力、分子作用力等原理使微球进行自排列形成单层或多层阵列的方法，包括：固-液界面的自组装、自然沉降法自组装、提拉法自组装等多种方法。由于自组装工艺的进步，通过该过程制备的微球阵列具有排布规则、面积可控的特点。所述的面积可控是指可以根据需要人为地增加或减小排布的面积，面积范围在平方毫米到平方米的范围内变化。通过自组装方法获得的微球阵列通常情况下具有六方最密堆积的结构，每个球体之间会有一定的孔隙，这些孔隙会在负压中被有机物填充。

步骤二，注入弹性体。所述弹性体的注入是通过负压法使未固化的液态有机物材料加入到微球阵列孔隙，而后进行固化成为弹性体的过程。所述弹性体是具有从液态转变到固态能力，且固态时具有可拉伸性能的聚合物材料，比如：聚二甲基硅氧烷(PDMS)，Solaris硅橡胶等。所述负压法是指液态有机物覆盖在微球阵列表面上，而后置入真空环境中(气压小于10Pa)。微球阵列中的气体会由于压力差逸散出来，液态有机物则反向进入微球阵列的间隙中，从而形成有机物包裹微球阵列的立体结构。

步骤三，去除牺牲微球阵列。所述的去除牺牲微球阵列是通过有机溶剂去除微球的过程。所述有机溶剂是可以选择性去除微球的有机溶剂，比如：丙酮，乙醚等。液态有机物固化后，去除微球后的弹性体具有规则的空间立体结构，该结构与微球阵列互补。

上述实施例中，可拉伸弹性体的厚度包括两个部分：第一，具有立体结构部分厚度；第二，不具有立体结构部分厚度。第一部分可以通过微球阵列自组装的层数进行控制，一般意义上，该部分厚度最小可以为1μm。第二部分可以通过旋涂法或称量法来控制，通常可以在3μm以上可控。两部分厚度的相对比例也可以通过控制，整个弹性体的厚度在4μm以上可控。

另外，可以通过图形化的方法，在微球阵列上制备无微球区域，或通过 局部法在所需区域制备微球阵列，实现多孔结构的图形化及局域设计。

以下为本发明的另一实施例。

如图2至4所示，表示了包括微球1、牺牲层2，衬底3与弹性体4组成制备多孔弹性体的过程。本实施例中，微球1可以为聚苯乙烯微球(3微米，图5A)，牺牲层2可以为聚苯乙烯薄膜，衬底3可以为玻璃衬底，弹性体可以4为PDMS。

加工流程包括：

步骤一，如图2所示，准备特定大小的玻璃片3，在玻璃片3上制备特定厚度的PS薄膜2作为牺牲层和通过自然沉降法制备PS微球阵列3。图1中作为示意，只画了四层PS微球。实际情况下，微球层数可以通过改变所加微球分散液质量或浓度的方法人为调控。

步骤二，如图3所示，通过负压法把液态PDMS(基液和交联液是道康宁184的配方)加入到PS阵列间隙中，再利用热固化的方法把PDMS固化成弹性体4。

步骤三，如图4所示，通过化学方法去除PS球阵列，同时使PDMS弹性体与衬底分离。去除PS球阵列后，原本PS球所处位置成为气态空腔(5)。由于该实例中牺牲层和微球阵列都是使用了聚苯乙烯材质，因而可以通过有机溶剂(如：丙酮)一并去除。从而获得了如图4所示的多孔弹性体。

如图5A和图5B所示，依次为上述加工过程中的PS球阵列的表面结构6和去除PS球后多孔PDMS的表面结构7。

可选的，在注入液态PDMS之前，利用氧等离子体刻蚀等方法可以制备局部区域的PS阵列，也可以利用预设沉降位置的方法直接制备具有图形的PS阵列，如图6所示，可对最终PDMS表面的多孔结构进行图形化设计，从而实现调控整块弹性体拉伸性能的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。