[发明专利]一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器

说明书

本发明属于电容式柔性传感器技术领域，具体涉及一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器。其技术要点如下，电容式柔性传感器从上到下依次为上保护层、上导电层、介电层、下导电层和下保护层；其中，上导电层和下导电层为银层；介电层为多孔单畴液晶弹性体（P‑mLCEs），P‑mLCEs的分子链上带有双重氢键和金属配位键。本发明提供的多孔单畴液晶弹性体含有双重氢键和金属配位键，该液晶弹性体作为介电层，通过液晶弹性体分子链上羰基键与金属离子进行配位结合，大幅度提高了其介电常数，增加了柔性传感器介电层的响应/回复速度。

技术领域

本发明属于电容式柔性传感器技术领域，具体涉及一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器。

背景技术

近年来，随着柔性电子材料和传感技术的快速发展，可穿戴式柔性传感器的发展非常迅速。可穿戴式柔性传感器的核心技术是将外部形变有效地转化为电信号。然而传统的半导体和金属基压力传感器的灵敏度低，传感范围窄，拉伸能力有限且分辨率低，难以应用于需要柔性接触或可穿戴设备。而现有技术中适用于任意曲面的柔性压力传感器中，电容式压力传感器的应用最为广泛。但是电容式压力传感器的寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，联接电路较为复杂。且电容式柔性压力传感器的介电层材料大多是PDMS和Ecoflex等材料，具有介电损耗高、介电常数低、响应速度慢、回弹时间长、在高压下的灵敏度较小等问题，且制备工艺复杂。

有鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，开发一种多孔单畴液晶弹性体及其制备方法以及基于它的电容式柔性传感器。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种多孔单畴液晶弹性体(P-mLCEs)是一种良好生物相容性的智能柔性材料，具有任意拉长压缩、弯曲折叠、响应快、灵敏度高等特点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供的多孔单畴液晶弹性体，其分子链上带有双重氢键和金属配位键，其分子结构式如下：

其中，Mⁿ⁺表示金属离子。

本发明提供一种含有双重氢键和金属配位键的液晶弹性体；通过引入中间体，在液晶聚合物分子链上嵌入含酰胺键和希夫碱键的链段，并掺入金属离子，分子链中酰胺键之间形成了双重氢键，希夫碱键与金属离子形成配位键。众所周知，介电常数是判别高分子材料的极性大小重要参数。通过此制备的离子型液晶弹性体作为介电层，由于配位键的形成也进一步增强了其对电荷的束缚能力，即增大了电负性。而电负性越大，可极化能力越强，进而大幅度提高了其介电常数。同时，由于双重氢键和金属配位键同时存在，引起液晶聚合物的交联密度增加，导致其断裂拉伸强度急剧增大。相比其他柔性传感器，其作为压力传感器的介电层时具有较快的响应/回复速度。

同时，对液晶弹性体介电层进行部分造孔(常规造孔方法)，进一步提升了柔性传感器的灵敏度，而且柔性传感器在高温下性能优异。

进一步的，Mⁿ⁺是Fe³⁺、Cu²⁺或Zn²⁺中的任意一种。中心原子(离子)与配位原子的电负性相差较小时，倾向于形成配位键。N原子有较高的电负性(3.04)，铁1.83，铜1.9，锌1.65电负性与N原子较为贴近。

本发明的第二个目的是提供一种多孔单畴液晶弹性体的制备方法，具有同样的技术效果。

本发明的上述技术目的是由以下技术方案实现的：