一种基于3D打印制备离子型压力阵列传感器的方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种基于3d打印制备离子型压力阵列传感器的方法。

背景技术：

离子电活性聚合物(ieap)材料是一种典型的具有传感-驱动双向功能的柔性智能材料，通常呈电极-离子聚合物-电极的三明治复合膜状结构，离子聚合物通常采用nafion溶液或者nafion膜，聚合物内含有可移动离子和水分子。外力作用下ieap材料发生弯曲，内部产生的弹性应力梯度使得可移动阳离子向弯曲外侧迁移，从而形成空间电荷梯度分布，在两电极之间形成电势差。相较于传统的压电聚合物材料，它具有质量轻、机械阻抗和声阻抗较低、加工工艺多样以及天然的仿生优势等突出优点，在柔性机器人、消费电子和人体医疗健康监测等领域具有广阔的应用前景。

但是目前采用制备离子聚合物用于制备传感器的方法采用铸膜工艺，因此制备出的结构较为简单，不利于该材料的推广利用，采用熔融3d打印离子聚合物前体材料用于制备离子聚合物传感器件，这种打印方法需要将打印后的nafion前体聚合侧链so2基团水解为so3基团，工序较为复杂，采用单纯直写打印nafion溶液用于传感器件的制造，较难制备出具有微结构的阵列传感器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于3d打印制备离子型压力阵列传感器的方法，将打印nafion溶液与打印支撑凝胶f-127结合起来，解决单纯打印nafion溶液制造阵列式结构的难题，适用于nafion聚合物微结构阵列制造，从而在人工皮肤，柔性传感等领域有着重要的应用潜力。

本发明采用以下技术方案：

一种基于3d打印制备离子型压力阵列传感器的方法，以离子聚合物溶液nafion和高沸点溶剂为离子传感原料，以普兰尼克f127为打印支撑层原料，通过3d复合打印制备离子型压力阵列传感器。

具体的，将质量分数5％的nafion溶液与高沸点溶剂混合后加热磁力搅拌至nafion溶液的浓度为40～60％。

进一步的，nafion溶液与高沸点溶剂的质量比为1：(1～4)。

具体的，高沸点溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或乙二醇。

具体的，将普兰尼克粉末溶于4℃的水中，采用行星搅拌器进行搅拌成均匀的凝胶状，普兰尼克粉末与水的混合质量比为1:(1～2.5)。

具体的，复合打印具体为：

s301、先将离子聚合物墨水和普兰尼克f127凝胶装入带有双喷头的直写打印机上，分别调节打印离子聚合物墨水和f127的挤出气压，使得喷头出丝均匀；

s302、运行阵列式模型的g代码，打印厚度0.2～1mm的f127凝胶结构层；

s303、凝胶层打印完成后，在f127凝胶层表面上打印一层厚度0.2～1mm的聚合物nafion溶液。

进一步的，步骤s301中，普兰尼克f127的挤出气压为0.02～0.3mpa，扫描速度为5～35mm/s，喷头离成型板的高度为0.2～0.5mm，打印机层厚设置为0.165～0.25mm。

具体的，将复合打印出的复合结构置于真空130℃加热至固化，置于4～20℃的水中去除，普兰尼克f127支撑层，得到阵列式的nafion离子聚合物。

进一步的，将导电银浆在离子聚合物成型阵列结构上下表面分别贴附一层导电电极箔片，形成电极-离子聚合物-电极三明治复合结构的阵列式离子型压力传感器。

进一步的，使用导电银胶与阵列单元连接，形成分布式传感器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种离子型压力阵列传感器的3d打印方法，离子聚合物溶液nafion和高沸点溶剂为离子传感原料，以普兰尼克(f127)为打印支撑层原料，通过复合打印制备出阵列式压力传感器的方法。基本原理是普兰尼克(f127)在30～40％浓度的水溶液中能够形成凝胶，打印出来的凝胶线条稳定性好，精度高，容易打印出阵列微结构，且打印出的结构能够溶于冷水，适合用于直写打印支撑层，将直写打印nafion溶液与f127结合起来，可实现nafion复杂结构成形，特别适合打印阵列式压力传感器。

进一步，本发明将质量分数5％的nafion溶液与高沸点溶剂混合后加热磁力搅拌至nafion溶液的浓度为40～60％，配置的f127墨水具有剪切变稀性质，打印出来的线条连续性好，精度高，且打印的出来线条不易流动，能够保持线条的形状。

进一步的，采用二甲基乙酰胺，二甲基甲酰胺，乙二醇可以防止打印过程中线条因加热而开裂。

进一步，将普兰尼克粉末溶于4℃的水中，采用行星搅拌器进行搅拌成均匀的凝胶状，该凝胶打印过程中可以保持线条现状，溶液可以实现自举，适合打印。

进一步，打印工艺参数的设置，打印后续处理工艺选择，能够保证打印出的f127结构与nafion膜的结构实现互补。

进一步的，通过加热处理可以保证nafion层固化，且固化后的结构具有韧性。

进一步的，普兰尼克f127的挤出气压为0.02～0.3mpa，扫描速度为5～35mm/s，喷头离成型板的高度为0.2～0.5mm，打印机层厚设置为0.165～025mm，能够保证打印过程线条均匀稳定。

进一步的，采用导电银浆连接传感器上下表面，可以保证导电材料与nafion传感层接触良好。

综上所述，本发明将打印nafion溶液与打印支撑凝胶f-127结合起来，解决单纯打印nafion溶液制造阵列式结构的难题，适用于不同类型的nafion聚合物微结构阵列制造，从而在人工皮肤，柔性传感等领域有着重要的应用潜力。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明打印凝胶结构层示意图；

图2为本发明打印聚合物nafion溶液示意图；

图3为本发明阵列式的nafion离子聚合物示意图；

图4为本发明制备的分布式传感器示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于3d打印制备离子型压力阵列传感器的方法，以离子聚合物溶液nafion和高沸点溶剂(二甲基乙酰胺，二甲基甲酰胺或乙二醇)为离子传感原料，以普兰尼克(f127)为打印支撑层原料，通过复合打印制备出阵列式压力传感器，包括以下步骤：

s1、nafion溶液配置；

先将质量分数5％的nafion溶液与高沸点溶液混合，nafion与高沸点溶剂的质量比为1：(1～4)；磁力加热搅拌均匀，加热浓缩到nafion溶液的浓度直至40～60％，作为直写打印的离子聚合物墨水；

s2、普兰尼克凝胶配置；

将普兰尼克粉末溶于4℃的水中，普兰尼克(f127)与水的混合质量比为1:(1～2.5)，采用行星搅拌器进行搅拌成均匀的凝胶状；

s3、复合打印过程；

s301、先将离子聚合物墨水和f127凝胶装入带有双喷头的直写打印机上，分别调节打印离子聚合物墨水和f127的挤出气压，使得喷头出丝均匀；

f127的挤出气压为0.02～0.3mpa，扫描速度为5～35mm/s，喷头离成型板的高度为0.2～0.5mm，打印机层厚设置为0.165～0.25mm，与挤出气压相匹配。

s302、运行阵列式模型的g代码，先打印厚度0.2～1mm的f127凝胶结构层，如图1所示；

s303、凝胶层打印完成后，在f127凝胶层表面上打印一层厚度0.2～1mm的聚合物nafion溶液，如图2所示。

s4、将打印出的复合结构置于真空130℃加热固化后，整体结构置于4～20℃水中去除f127支撑层，得到阵列式的nafion离子聚合物层，如图3所示；

s5、将导电银浆在离子聚合物成型阵列结构上下表面分别贴附一层导电电极箔片，形成电极-离子聚合物-电极三明治复合结构的阵列式离子型压力传感器；或使用导电银胶与阵列单元相连接，形成分布式传感器，如图4所示。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)溶液配置；

采用量筒量取质量分数为5％的nafion溶液40ml和10ml的二甲基乙酰胺(dmac)混合，磁力搅拌加热浓缩至nafion的浓度为40％；

2)普兰尼克凝胶配置；

称取4gf-127白色粉末，溶于6g水中，采用行星搅拌器搅拌均匀成透明的凝胶状，采用打印头进行初步检验，凝胶状可以挤出成均匀的丝状；

3)复合打印过程；

s301、先将离子聚合物墨水和f127凝胶装入带有双喷头的直写打印机上，分别调节打印离子聚合物墨水和f127的挤出气压，使得喷头出丝均匀；

s302、运行阵列式模型的g代码，打印机参数设置为层厚0.25mm，扫描速度35mm/s，挤出气压为0.3mpa先打印厚度1mm的f127凝胶结构层；

s303凝胶层打印完成后，在f127凝胶层表面上打印一层厚度1mm的聚合物nafion墨水，打印参数设置为层厚0.25mm，扫描速度35mm/s，挤出气压为0.3mpa；

4)将打印出的复合结构置于真空130℃加热固化2h，然后缓慢冷却至室温，再将整体结构置于12℃水中去除f127支撑层，得到阵列式的nafion离子聚合物层。

5)材料表面电极制造及后处理

将导电银浆在离子聚合物成型阵列结构上下表面分别贴附一层导电铜电极箔片，形成电极-离子聚合物-电极三明治复合结构的阵列式离子型压力传感器。

实施例2

1)溶液配置；

采用量筒量取质量分数为5％的nafion溶液20ml和10ml的二甲基甲酰胺(dmf)混合，磁力搅拌加热浓缩至nafion的浓度为60％

2)普兰尼克凝胶配置；

称取3gf-127白色粉末，溶于7g水中，采用行星搅拌器搅拌均匀成透明的凝胶状，采用打印头进行初步检验，凝胶状可以挤出成均匀的丝状；

3)复合打印过程；

s301、先将离子聚合物墨水和f127凝胶装入带有双喷头的直写打印机上，分别调节打印离子聚合物墨水和f127的挤出气压，使得喷头出丝均匀；

s302、运行阵列式模型的g代码，打印机参数设置为层厚0.165mm，扫描速度5mm/s，挤出气压为0.02mpa先打印厚度0.2mm的f127凝胶结构层；

s303凝胶层打印完成后，在f127凝胶层表面上打印一层厚度0.2mm的聚合物nafion墨水，打印参数设置为层厚0.165mm，扫描速度5mm/s，挤出气压为0.02mpa；

4)将打印出的复合结构置于真空130℃加热固化2h，然后缓慢冷却至室温，再将整体结构置于4℃水中去除f127支撑层，得到阵列式的nafion离子聚合物层，如附图3所示。

5)材料表面电极制造及后处理

将导电银浆在离子聚合物成型阵列结构上下表面分别贴附一层导电铜电极箔片，形成电极-离子聚合物-电极三明治复合结构的阵列式离子型压力传感器。

实施例3

1)溶液配置；

采用量筒量取质量分数为5％的nafion溶液10ml和10ml的乙二醇(dmf)混合，磁力搅拌加热浓缩至nafion的浓度为50％

2)普兰尼克凝胶配置；

称取3gf-127白色粉末，溶于7g水中，采用行星搅拌器搅拌均匀成透明的凝胶状，采用打印头进行初步检验，凝胶状可以挤出成均匀的丝状；

3)复合打印过程；

s301、先将离子聚合物墨水和f127凝胶装入带有双喷头的直写打印机上，分别调节打印离子聚合物墨水和f127的挤出气压，使得喷头出丝均匀；

s302、运行阵列式模型的g代码，打印机参数设置为层厚0.2mm，扫描速度15mm/s，挤出气压为0.15mpa先打印厚度0.6mm的f127凝胶结构层；

s303凝胶层打印完成后，在f127凝胶层表面上打印一层厚度0.6mm的聚合物nafion墨水，打印参数设置为层厚0.2mm，扫描速度15mm/s，挤出气压为0.15mpa

4)将打印出的复合结构置于真空130℃加热固化3h，然后缓慢冷却至室温，再将整体结构置于20℃水中去除f127支撑层，得到阵列式的nafion离子聚合物层，如附图3所示。

5)材料表面电极制造及后处理

将导电银浆在离子聚合物成型阵列结构上下表面分别贴附一层导电铜电极箔片，形成电极-离子聚合物-电极三明治复合结构的阵列式离子型压力传感器。

本发明能够实现阵列式压力传感器的快速制造，通过3d打印方法可以实现不同结构不同灵敏度不同尺寸的压力传感器的制造，从而拓宽了该材料在柔性电子，软体机器人等应用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。