[发明专利]一种基于3D打印制备离子型压力阵列传感器的方法

说明书

本发明公开了一种基于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和高沸点溶剂为离子传感原料，以普兰尼克F 127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。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。

技术领域

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。

发明内容

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F 127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中的一种。

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。