本發(fā)明涉及壓電材料，尤其涉及一種基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器及其制備方法、應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、壓電材料在將機械能轉(zhuǎn)化為電能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對于離子電子系統(tǒng)中的能量收集和人機交互至關(guān)重要。與傳統(tǒng)導(dǎo)體的電子傳導(dǎo)機制不同，離子凝膠的電子傳導(dǎo)機制是離子傳導(dǎo)。在施加壓力下離子凝膠誘導(dǎo)離子濃度梯度時產(chǎn)生電壓輸出。離子壓電材料是利用產(chǎn)生的移動離子攜帶信號來產(chǎn)生壓電效應(yīng)，不需要極化。而pvdf壓電材料需要高壓極化，這些材料的制備往往伴隨著高能耗、二次加工等問題。與壓電或摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不同，離子壓電材料與生物學(xué)感知過程非常相似，因此離子壓電材料可以實現(xiàn)與生物系統(tǒng)的無縫集成。另外，離子液體的研究的最新進(jìn)展表明，它們具有與許多有機電解質(zhì)相當(dāng)?shù)碾x子電導(dǎo)率、極高的沸點(可達(dá)300-400℃)。這些獨特的特性使離子壓電材料成為壓電傳感應(yīng)用的有前途的候選者。

2、雖然近年來離子壓電材料已經(jīng)被用于傳感，但信號輸出仍然面臨低輸出值，并且在實際應(yīng)用中可能受到生物電或其他帶電物體的影響。壓電性能提升的關(guān)鍵是提高陰離子和陽離子遷移率的差異?，F(xiàn)有技術(shù)是往聚合物軟中添加移動離子的電解質(zhì)，在應(yīng)力作用下的陰、陽離子的遷移產(chǎn)生差異，從而實現(xiàn)在對稱電極之間形成不平衡的離子分布，使傳感器在無額外電源的條件上產(chǎn)生電壓信號。研究人員通過高分辨率立體光刻(sla)3d打印堆疊水凝膠來實現(xiàn)壓電性能的提升，離子聚丙烯酰胺(paam)水凝膠的壓電性能可達(dá)70mv。研究人員采用聚乙烯醇與離子液體混合制備成離子凝膠，電壓可達(dá)2.11mv，但是該電解質(zhì)是液體溶液泄漏。但目前離子凝膠壓電材料存在電解質(zhì)泄漏、離子電壓不高等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器及其制備方法，通過光聚合的方法使含有乙烯基的咪唑基離子液體聚合，實現(xiàn)陽離子固定、陰離子可移動，最終形成電解質(zhì)不泄漏、壓電性能強的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器。該基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器實現(xiàn)高電壓響應(yīng)、寬量程響應(yīng)范圍。

2、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、其一，提供一種基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器，所述基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器包括聚離子壓電敏感層、設(shè)置于聚離子壓電敏感層兩側(cè)面的鎵基液態(tài)金屬層、設(shè)置于鎵基液態(tài)金屬層上的銅電極、及柔性包裹層，所述聚離子壓電敏感層由所述咪唑基聚離子液體壓電材料制成。

4、進(jìn)一步地，所述柔性包裹層采用醫(yī)用聚氨酯薄膜膠帶或聚酰亞胺薄膜封裝得到。

5、進(jìn)一步地，所述聚離子壓電敏感層的厚度是0.5-2mm；所述鎵基液態(tài)金屬層的厚度是50-100μm。

6、其二，提供上述基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，包括以下制備步驟：

7、(1)將乙烯基咪唑鹽單體和光引發(fā)劑溶解在適量乙醇溶液中，超聲分散均勻，得到聚離子液體的前驅(qū)體溶液；

8、(2)將前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移至模具，經(jīng)干燥、真空消泡后，轉(zhuǎn)移紫外燈下進(jìn)行光固化，制得聚離子液體壓電材料；

9、(3)將聚離子液體壓電材料進(jìn)行等離子處理，形成聚離子壓電敏感層，然后在聚離子壓電敏感層的上下表面涂覆鎵基液體金屬，形成鎵基液態(tài)金屬層，之后在鎵基液態(tài)金屬層貼合銅電極，最后采用醫(yī)用聚氨酯薄膜膠帶或聚酰亞胺薄膜封裝，得到基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器。

10、進(jìn)一步地，所述乙烯基咪唑基單體為1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙烯基-3-乙基咪唑溴鹽、1-乙烯基-3-乙基咪唑氯鹽中的至少一種。

11、進(jìn)一步地，所述光引發(fā)劑為2-羥基-2-甲基苯丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的一種。

12、進(jìn)一步地，所述引發(fā)劑的用量為乙烯基咪唑鹽單體用量的0.1-1wt.％。

13、進(jìn)一步地，所述超聲分散的頻率為40khz，超聲分散時間是5-10min。

14、進(jìn)一步地，所述紫外燈的功率是200-300w，波長是365nm，所述光固化時間為3-15min。

15、本發(fā)明的有益效果是：

16、本發(fā)明基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器通過聚離子壓電敏感層將陽離子固定在聚離子液體分子鏈上、陰離子可移動，來提高陰離子和陽離子遷移率的差異，從而在對稱電極之間形成不平衡的離子分布，使傳感器產(chǎn)生高的壓電信號；鎵基液體金屬電極可以減少電極與聚離子液體的界面阻力，增加離子傳遞速度，從而在電極兩側(cè)形成較大的電壓信號。該基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器在110n時電壓信號達(dá)到200mv，離子壓電的響應(yīng)范圍高達(dá)110n，實現(xiàn)高電壓響應(yīng)、寬量程響應(yīng)范圍，可以在無電源條件下應(yīng)用于呼吸監(jiān)測、人體運動監(jiān)測，在自供電傳感有潛在的應(yīng)用價值。

17、本發(fā)明基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器通過光聚合的方法使含有乙烯基的咪唑基離子液體聚合，當(dāng)離子壓電材料上下受力時，固定的陽離子與解離的陰離子移動能力差異很大，因此離子凝膠電極兩側(cè)形成離子濃度差異而產(chǎn)生電壓差。本發(fā)明通過固定陽離子的聚離子液體來實現(xiàn)離子電壓突破，最終形成電解質(zhì)不泄漏、壓電性能強的高分子材料壓電材料，其電信號隨著力的增加而增加，為離子電壓材料的制備提供新方法。

技術(shù)特征：

1.一種基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器，其特征在于：所述基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器包括聚離子壓電敏感層、設(shè)置于聚離子壓電敏感層兩側(cè)面的鎵基液態(tài)金屬層、設(shè)置于鎵基液態(tài)金屬層上的銅電極、及柔性包裹層，所述聚離子壓電敏感層由所述咪唑基聚離子液體壓電材料制成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器，其特征在于：所述柔性包裹層采用醫(yī)用聚氨酯薄膜膠帶或聚酰亞胺薄膜封裝得到。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器，其特征在于：所述聚離子壓電敏感層的厚度是0.5-2mm；所述鎵基液態(tài)金屬層的厚度是50-100μm。

4.一種根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，其特征在于：包括以下制備步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，其特征在于：所述乙烯基咪唑基單體為1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙烯基-3-乙基咪唑溴鹽、1-乙烯基-3-乙基咪唑氯鹽中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，其特征在于：所述光引發(fā)劑為2-羥基-2-甲基苯丙酮、1-羥基環(huán)己基苯基甲酮、2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮中的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，其特征在于：所述引發(fā)劑的用量為乙烯基咪唑鹽單體用量的0.1-1wt.％。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，其特征在于：所述超聲分散的頻率為40khz，超聲分散時間是5-10min。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器的制備方法，其特征在于：所述紫外燈的功率是200-300w，波長是365nm，所述光固化時間為3-15min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器及其制備方法和應(yīng)用，該傳感器包括聚離子壓電敏感層、鎵基液態(tài)金屬層、銅電極和柔性包裹層，本發(fā)明采用咪唑基聚離子液體壓電材料進(jìn)行光固化制得聚離子壓電敏感層，實現(xiàn)陽離子固定、陰離子可移動。該離子壓電柔性傳感器上下兩側(cè)受力時，敏感層內(nèi)的陽離子固定而陰離子向非壓縮區(qū)域移動，而鎵基液體金屬電極可促進(jìn)離子在界面的傳遞速度，最終形成電解質(zhì)不泄漏、壓電性能強的離子壓電柔性傳感器，為離子壓電傳感器的制備提供新方法。本發(fā)明基于聚離子液體的離子壓電柔性傳感器，其在110N時電壓信號達(dá)到200mv，離子壓電的響應(yīng)范圍高達(dá)110N，可以在無電源條件下應(yīng)用于呼吸監(jiān)測、人體運動監(jiān)測。

技術(shù)研發(fā)人員：劉環(huán)裕,巫運輝,吳明鑫,范家明
受保護的技術(shù)使用者：東莞理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10