本發(fā)明涉及離子導(dǎo)電彈性體和原位制備適形離子器件的，具體涉及一種原位制備共形離子器件的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著柔性電子學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的電子器件需要能夠適應(yīng)復(fù)雜的表面形狀和動態(tài)變化的環(huán)境，傳統(tǒng)硬質(zhì)電子器件在這些條件下往往無法實現(xiàn)良好的性能和穩(wěn)定性。因此，如何在不規(guī)則、彎曲或動態(tài)表面上制造出符合要求的柔性電子器件，成為當(dāng)前技術(shù)中的一個重要挑戰(zhàn)。近年來，離子導(dǎo)電彈性體因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、柔性和彈性，已成為柔性電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。該材料具有較高的離子導(dǎo)電性和良好的機械柔性，可以在不規(guī)則表面上提供穩(wěn)定的電氣性能。然而，現(xiàn)有的離子導(dǎo)電彈性體材料的應(yīng)用大多局限于平面或較為規(guī)則的表面，在復(fù)雜、動態(tài)的表面上進(jìn)行原位制備和集成仍然面臨一定的困難。

2、目前的技術(shù)主要依賴于預(yù)制的離子導(dǎo)電彈性體薄膜，通過粘接或其他方式將其應(yīng)用到目標(biāo)表面上，難以實現(xiàn)在復(fù)雜表面上高效、精準(zhǔn)的原位制造。此外，現(xiàn)有方法通常需要復(fù)雜的設(shè)備和工藝，無法滿足快速、低成本的生產(chǎn)需求，也限制了其在實際應(yīng)用中的推廣和普及。如公開號為cn118440368a的中國專利公開了一種全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體薄膜及制備方法和應(yīng)用，包括：將熱塑性聚氨酯顆粒在烘箱中除水，然后完全溶解于在無水有機溶劑，得到熱塑性聚氨酯溶液；分別取鋰鹽、聚乙二醇、二異氰酸酯、催化劑完全溶于熱塑性聚氨酯溶液中，超聲除去起泡后得到混合溶液；取混合溶液澆筑于模具內(nèi)，通風(fēng)自然揮發(fā)，待無有機試劑氣味后轉(zhuǎn)移至烘箱完全聚合，得到全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體薄膜；該發(fā)明提出的全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體的協(xié)同設(shè)計及其制備方法豐富了導(dǎo)電彈性體系的制備策略并為更多具有優(yōu)異機械韌性和良好導(dǎo)電率的全固態(tài)離子導(dǎo)電彈性體材料的制備提供新的思路。以及公開號為cn117924647a的中國專利公開了一種聚氨酯和聚氨酯基離子導(dǎo)電彈性體的制備方法及應(yīng)用，制備聚氨酯基離子導(dǎo)電彈性體的主要原料按重量份配比是：雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰20～100份、聚氨酯100份；一種聚氨酯和聚氨酯基離子導(dǎo)電彈性體的制備方法及應(yīng)用，制備聚氨酯的主要原料按重量份配比是：聚四亞甲基醚乙二醇20～30份、3,3-4,4’-二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯40～60份、4,4-雙馬來酰亞胺二苯甲烷2～10份、催化劑1～3份、擴鏈劑5～20份、2,5-呋喃二甲醇5～20份。制備聚氨酯基離子導(dǎo)電彈性體的主要原料按重量份配比是：雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰20～100份、聚氨酯100份；制備工藝是：將雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(litfsi)用無水有機溶劑溶解后與聚氨酯混合5h，得到混合溶液，再將混合溶液放置在80-90℃的熱臺上蒸發(fā)溶劑，得到聚氨酯基離子導(dǎo)電彈性體。

3、因此，亟需一種能夠在復(fù)雜表面上直接原位制備離子導(dǎo)電彈性體涂層，并實現(xiàn)軟性離子電子學(xué)器件集成的技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種原位制備共形離子器件的方法，通過本發(fā)明的方法，可以實現(xiàn)軟性離子電子學(xué)器件在復(fù)雜表面上的高效、精準(zhǔn)制備，且無需依賴外部轉(zhuǎn)移工藝，有效提高了器件的性能和穩(wěn)定性，解決現(xiàn)有技術(shù)中柔性離子電子學(xué)器件在復(fù)雜三維表面上集成困難的問題。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的：

3、本發(fā)明提供了一種原位制備共形離子器件的方法，包括以下步驟：

4、（1）將10~15重量份的聚酯二元醇脫水，獲得脫水產(chǎn)物；將脫水產(chǎn)物和0.22~0.33重量份的異氟二酮二異氰酸酯在溶劑和有機錫催化劑條件下反應(yīng)；

5、（2）向步驟（1）中的反應(yīng)產(chǎn)物中加入0.9~1重量份的酰肼類化合物和40~80重量份的n,n-甲基甲酰胺（dmf）繼續(xù)反應(yīng)生成u-tpu/dmf溶液；其中所述的酰肼類化合物如式（?。?、式（ⅱ）或式（ⅲ）所示：

6、；

7、（3）向步驟（2）得到的溶液中加入鋰鹽，并除去多余dmf來濃縮溶液得到離子導(dǎo)電彈性體涂料icep；

8、（4）將步驟（3）得到的icep通過涂覆的方法在目標(biāo)基底表面后固化得到離子導(dǎo)電彈性體涂層icec來原位制備離子器件。

9、本發(fā)明通過酰肼和鋰鹽制備的離子導(dǎo)電彈性體涂料成膜后形成離子導(dǎo)電彈性體涂層，鋰鹽和tpu中的脲鍵基團(tuán)的協(xié)同作用使得涂層的拉伸強度和拉伸模量在50mpa~3mpa和8.34mpa~2.31mpa的大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，來滿足不同目標(biāo)基底的需要。

10、在步驟（1）中，所述的聚酯二元醇優(yōu)選為端羥基聚(ε-己內(nèi)酯)，分子量為1000~3000；這樣有利于提高聚氨酯的粘度，從而制備性能優(yōu)異的離子導(dǎo)電彈性體涂層；反應(yīng)溫度為60℃~90℃，優(yōu)選為75℃~80℃；反應(yīng)時間為2~5h，優(yōu)選為3h；這樣有利于提高離子導(dǎo)電彈性體涂層的機械性能。

11、在步驟（1）中，所述的脫水產(chǎn)物由以下步驟制備而得：將10~15重量份的聚酯二元醇和0.03~0.06重量份的催化劑混合，在120℃~140℃減壓脫水1~3小時，得到脫水產(chǎn)物。其中所述的催化劑為有機錫類催化劑，優(yōu)選為：二月桂酸二丁基錫。這樣有利于提高反應(yīng)程度。

12、步驟（1）中的異氟爾酮二異氰酸酯可以為2.2~3.3重量份，優(yōu)選為2.8~3.0重量份，這樣有利于提高離子導(dǎo)電彈性體涂層的拉伸性能。

13、步驟（1）中的溶劑選自n，n-二甲基甲酰胺，n，n-二甲基乙酰胺，丙酮，四氫呋喃，優(yōu)選為n，n-二甲基甲酰胺。用量可以為0~10ml，優(yōu)選為5ml。

14、步驟（2）中酰肼類化合物選自間苯二甲酰肼，鄰苯二甲酰肼，對苯二甲酰肼，優(yōu)選為間苯二甲酰肼。加入的酰肼類化合物可以為0.9~1重量份，優(yōu)選為0.95~0.97重量份。

15、在步驟（2）中，所述反應(yīng)溫度為20℃~50℃，優(yōu)選為40℃~45℃，反應(yīng)時間為8~24h，優(yōu)選為12~15h。這樣有利于提高反應(yīng)程度，增加離子導(dǎo)電彈性體涂層的機械性能。

16、步驟（2）中的溶劑選自n，n-二甲基甲酰胺，n，n-二甲基乙酰胺，優(yōu)選為n，n-二甲基甲酰胺。

17、在步驟（3）中，鋰鹽與u-tpu的質(zhì)量比例為1:1.2~1:5.7，離子導(dǎo)電彈性體涂料的固含量為30wt%~50wt%。

18、步驟（3）中加入的鋰鹽優(yōu)選為litfsi。加入的量可以為15~45wt%（所述鋰鹽的含量為鋰鹽占u-tpu的質(zhì)量百分比）。根據(jù)加入的litfsi的量可以調(diào)節(jié)最終成膜的離子導(dǎo)電彈性體涂層的機械性能和導(dǎo)電性能，導(dǎo)電性能可以在1.08×10-3s/m~53.23×10-3s/m進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以根據(jù)不同基底的需求確定具體加入litfsi的量。

19、步驟（3）中通過旋蒸蒸發(fā)儀去除多余dmf來濃縮溶液，得到粘度為0.026?~10.29pa·s的離子導(dǎo)電彈性體涂料。涂料的粘度會影響在基底上的導(dǎo)電涂層的涂覆效果?？梢愿鶕?jù)不同形狀的基底和需求來確定涂料的合適粘度。

20、步驟（4）中在目標(biāo)基底上制備涂層的工藝包括：刷涂、浸涂、旋涂、澆筑或印刷。

21、可以根據(jù)不基底同的形狀和材質(zhì)來挑選合適的成型工藝和涂料的粘度，確保離子導(dǎo)電彈性體涂料均勻覆蓋在不同復(fù)雜形狀的表面上，所述目標(biāo)基底選自玻璃、金屬、塑料，橡膠或聚丙烯酸彈性體。

22、步驟（4）中由離子導(dǎo)電彈性體涂料成膜主要是揮發(fā)溶液中的dmf溶劑，從而制備離子導(dǎo)電彈性體涂層。主要方法包括：高溫烘烤，常溫放置。優(yōu)選常溫放置。因為這樣可以保護(hù)基底材料。

23、步驟（4）中的基底表面可以是可拉伸表面，例如聚丙烯酸酯彈性體或者橡膠材質(zhì)；不可展開表面，例如半球形，莫比烏斯環(huán)等；粗糙表面。例如磚頭，不平整的物體表面，機器人手臂等。

24、根據(jù)本發(fā)明所述的離子涂料的制備方法，由于離子導(dǎo)電彈性體涂層內(nèi)部的多尺度設(shè)計，其機械性能可通過改變litfsi含量進(jìn)行調(diào)控，以實現(xiàn)對不同基底材料的適應(yīng)。不同含量的litfsi可以使得離子導(dǎo)電彈性體涂層具有不同的機械性能：低含量的litfsi使離子導(dǎo)電彈性體涂層具備高模量和強度，適合應(yīng)用于堅硬基材以承受機械載荷；而高含量的litfsi則賦予離子導(dǎo)電彈性體涂層更高的柔韌性，適合用于柔軟基材上，不會影響基材的變形。

25、當(dāng)目標(biāo)基底為玻璃、金屬或塑料，離子導(dǎo)電彈性體涂料中鋰鹽的含量為15~30wt%；當(dāng)目標(biāo)基底為橡膠或聚丙烯酸酯彈性體，離子導(dǎo)電彈性體涂料中鋰鹽的含量為30wt%~45%；其中，所述鋰鹽的含量為鋰鹽占u-tpu的質(zhì)量百分比。

26、步驟（4）中的柔性適形離子器件包括：應(yīng)變傳感器、摩擦發(fā)電機、電容式離子皮膚。其中，摩擦發(fā)電機和電容式離子皮膚的介電層通過刷涂ecoflex的前驅(qū)液制備?？梢愿鶕?jù)不同的需求和場景來選擇合適的涂料粘度、涂層導(dǎo)電率、涂層的機械性能以便制備更加貼合基底的適形離子器件。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)異效果：

28、在本發(fā)明提供的原位制備共形離子器件的方法中，得到的高litfsi含量的離子導(dǎo)電彈性體涂層，其在最大應(yīng)變?yōu)?00%的加載/卸載循環(huán)中表現(xiàn)出低滯后和小殘余應(yīng)變，有效降低了粘彈性并提升了彈性恢復(fù)性能；

29、在本發(fā)明提供的原位制備共形離子器件的方法中，離子導(dǎo)電彈性體涂層的厚度可通過調(diào)整涂料粘度和刷涂次數(shù)進(jìn)行控制，并在施加電壓后能夠有效導(dǎo)電；此外，離子導(dǎo)電彈性體涂層具有高透明度，透光率能滿足光電應(yīng)用需求；為增加對比度，可加入蘇丹ⅲ紅色染料；

30、在本發(fā)明提供的原位制備共形離子器件的方法中，離子導(dǎo)電彈性體涂層在不同基材上表現(xiàn)出優(yōu)異的附著力。對于不滲透基材（如玻璃和金屬），離子導(dǎo)電彈性體涂層與表面緊密接觸，表現(xiàn)出較高的黏附能；而在滲透性基材（如聚丙烯酸酯）上，涂料能夠滲透至聚丙烯酸酯內(nèi)部，與基材網(wǎng)絡(luò)形成拓?fù)淅p結(jié)，使粘附能大幅提升，這種牢固的附著方式確保了離子導(dǎo)電彈性體涂層在復(fù)雜基材上的穩(wěn)定性和適應(yīng)性；

31、在本發(fā)明提供的原位制備共形離子器件的方法中，離子導(dǎo)電彈性體涂層具備獨特的可擦除和可回收性，通過dmf溶劑可完全溶解涂層，從而輕松擦除涂層，溶解后得到的涂料可以通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器去除溶劑后回收再利用；

32、在本發(fā)明提供的原位制備共形離子器件的方法中，通過在目標(biāo)基底上直接涂覆離子導(dǎo)電彈性體涂料來制備離子導(dǎo)電彈性體涂層，涂層可以用于制備適形柔性應(yīng)變傳感器和濕氣發(fā)電機；通過在基底上按照：離子導(dǎo)電彈性體涂層-ecoflex涂層的順序來制備適形摩擦發(fā)電機；通過在基底上按照：離子導(dǎo)電彈性體涂層-ecoflex涂層-離子導(dǎo)電彈性體涂層的順序來制備適形電容式壓力傳感器；

33、綜上所述，本發(fā)明通過使用離子導(dǎo)電彈性體涂料和協(xié)同控制技術(shù)，實現(xiàn)高效、簡便的共形軟性離子電子學(xué)器件的原位制造。