基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料及其制备方法

本发明属于柔性传感器，涉及柔性传感器件的电极材料导电性能研究，具体为基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料及其制备方法。

背景技术：

1、当前，由于柔性可穿戴器件坏损所造成的相关材料的浪费和巨大的环境污染已经受到了广泛的关注，对于自修复功能的研究也逐渐成为了热点方向。近年来，对于自修复功能材料的研究取得了长足的进步，越来越多的自修复功能材料被成功地应用于各种功能性电子设备中，包括传感器、太阳能电池、电子皮肤、场效应晶体管、介电制动器等。镓铟合金(egain)是目前发现在材料导电性自修复应用中的最佳选项之一，具备室温自修复性、高电导率(3.46×106s/m)、低熔点(低于14.5℃)、液态随形性、高表面张力(550mn/m)。但是，egain难以单独作为自修复导功能料在电子器件中应用，通常会被分散在特定的基体材料中发挥自修复作用，但是由于其液态随型和高表面张力等特点在复杂的电子器件制备工艺过程中容易造成微粒表面纳米级氧化镓壳层破裂进而造成进一步的液态金属的团聚，导致液态金属在基体中分布不均匀，影响功能材料后续的自修复性能及基体材料的机械性能，进而缩短电子器件的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有制备方法中存在的不足，为解决目前可穿戴柔性传感器使用寿命短自修复性能较差的技术问题，本发明提供了一种液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料及其制备方法，为高稳定性、高功率商业化柔性传感器的制备提供了一个新的途径。

2、为实现上述目的本发明采用以下技术手段：

3、一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1、微胶囊壳层预聚体制备：

5、将ema溶液，尿素在室温情况下，进行机械搅拌程均匀状态；随后对前驱溶液进行水浴加热及超声处理，并调节溶液ph值至3.5；

6、步骤2、微胶囊芯材分散：

7、将镓铟合金缓慢加入壳层预聚体中进行分散，直至芯材均匀分散；

8、步骤3、微胶囊表面修饰：

9、芯材分散结束后，调整搅拌速率，并冷却至室温后用去离子水和乙醇洗涤微胶囊，真空干燥后得到液态金属自修复微胶囊结构egain-ms；

10、步骤4、自修复压电传感器的制备：

11、将egain-ms与导电银浆混合物通过刮涂法涂覆于乳酸基压电弹性体薄膜表面作为自修复压电传感器电极。

12、上述技术方案中，步骤1具体包括：

13、步骤1.1、5g ema溶液2.5wt％和20ml去离子h2o进行机械搅拌直至溶液呈均匀状态，搅拌时间5min，搅拌速率设置为500rpm，得到溶液a；

14、步骤1.2、将0.503g尿素、0.05g间苯二酚、0.065g氯化铵加入到上述溶液a继续搅拌直至完全溶解，搅拌时间10min，得到溶液b；

15、步骤1.3、将装有溶液b的容器放入恒温水浴锅，水浴温度设置为35℃，使用10wt％的naoh调节溶液ph至3.5。

16、上述技术方案中，步骤2具体包括：

17、步骤2.1、将超声探头放入上述溶液且不与容器壁接触，超声功率设置为超250w，机械搅拌速率调节为1600rpm；

18、步骤2.2、随后，将28g egain缓慢地加入上述溶液中进行分散，机械搅拌及超声分散持续进行50min在液态金属表面形成聚脲(pu)层。

19、上述技术方案中，步骤3具体包括：

20、步骤3.1、芯材分散结束后，将1.456g甲醛溶液加入上述溶液中，随后超声关闭，水浴温度调节至60℃持续搅拌2小时，然后将搅拌速率降至1000rpm继续反应2.5小时直至反应结束，得到聚脲甲醛(puf)壳层液态金属微胶囊；

21、步骤3.2、将puf壳层液态金属微胶囊在室温下冷却至25℃，用去离子h2o反复洗涤，接着再用过量酒精清洗所得微胶囊，清洗完成后进行干燥，所得液态金属微胶囊命结构egain-ms。

22、上述技术方案中，步骤4具体包括：

23、将乳酸基压电弹性体薄膜裁剪后水平置于ito玻璃表面，将50wt％的egain-ms与导电银浆混合并搅拌均匀，随后将上述混合物通过刮涂法涂覆于乳酸基压电弹性体薄膜表面作为自修复电极，干燥后在电极和ito玻璃的一端固定导线用于压电信号的输出。

24、上述技术方案中，自修复电极涂覆厚度300μm。

25、本发明还提供了一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料采用上述的制备方法获得。

26、因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：

27、一、与现有技术相比，本发明方法在保证柔性可穿戴传感能力的同时，兼顾了其使用寿命及自修复能力的提升。利用具有低熔点、自修复性、高导电率、液态随形性、高表面张力的egain-ms，实现了液态金属在柔性电极的可控分散。使其在数次机械划伤破损的情况下实现自修复的目标。综上所述，本发明不进保障了柔性可穿戴传感器电流传输效率，而且拥有高自修复能力，使得柔性电极材料在可穿戴传感器领域有更广泛的实际应用。

28、二、为了提升egain的分散稳定性以适应复杂的器件加工过程，本发明利用原位聚合及超声分散，实现了液态金属的可控分散，制备了包埋有egain的聚脲+聚脲甲醛微胶囊(egain-ms)，以解决egain的环境稳定性、分散微粒团聚、表面氧化及分散问题。研究液态金属微胶囊在功能材料中导电性能自修复的应用，且微胶囊的引入形式为egain-ms与功能材料的直将共混，证明液态金属微胶囊在自修复压电传感器中应用的可行性。通过对压电信号的损伤修复测试，分析液态金属微胶囊对于功能材料导电性能的修复作用。

技术特征：

1.一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，其特征在于：步骤1具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，其特征在于：步骤2具体包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，其特征在于，步骤3具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，其特征在于，步骤4具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料的制备方法，其特征在于，自修复电极涂覆厚度300μm。

7.一种基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料采用如权利要求1-5任一所述的制备方法获得。

技术总结
本发明属于柔性传感器技术领域，基于液态金属微胶囊的自修复柔性传感材料及其制备方法。主旨在于为解决目前可穿戴柔性传感器使用寿命短自修复性能较差的技术问题，主要方案包括微胶囊壳层预聚体制备，将EMA溶液，尿素在室温情况下，进行机械搅拌程均匀状态；随后对前驱溶液进行水浴加热及超声处理，并调节溶液pH值至3.5；将镓铟合金缓慢加入壳层预聚体中进行分散，直至芯材均匀分散；微胶囊表面修饰，芯材分散结束后，调整搅拌速率，并冷却至室温后用去离子水和乙醇洗涤微胶囊，真空干燥后得到液态金属自修复微胶囊结构EGaIn‑MS；自修复压电传感器的制备，将EGaIn‑MS与导电银浆混合物通过刮涂法涂覆于乳酸基压电弹性体薄膜表面作为自修复压电传感器电极。

技术研发人员：牛晓滨,赵旭红,李俊锋,路顺
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29