一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器制造技术

本发明专利技术为一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器。该传感器的组成包括柔性基底和导电层；所述的柔性基底是TPU柔性纤维膜，纤维膜的厚度为100μm‑300μm；导电层是包覆于柔性基底表面的MXene导电层，导电层厚度为20‑50nm；薄膜两端连接导线。本发明专利技术提高了传感器的应变灵敏度，扩大了传感器的应变感应范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器
本专利技术涉及柔性应变传感器领域，具体涉及一种基于MXene材料的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，属于柔性材料制备及应用

技术介绍
近年来，随着柔性电子科学和人工智能技术的发展，柔性应变传感器件逐渐成为了一大研究热点。其中，柔性应变传感器广泛应用于航空航天、军工、交通、运动感应、建筑、医疗健康等领域，其工作原理主要包括:压电式、电容式以及压阻式。目前，传统的拉力传感器的主流方式是在拉伸过程中把传感器的形变转化为电阻值的变化。其中一种方法是在聚合物中填充导电物质，例如金银纳米线、碳粉和金属颗粒等，从而获得导电弹性体。但这些柔性应变传感器普遍存在制备工艺复杂、造价昂贵等问题；另外一种方法是在柔性基底上面嵌入或堆叠导电的结构，例如金属膜、单壁碳纳米管、导电高分子和碳纳米管的复合物等，从而得到具有复合结构的应变传感器。其中通过在柔性基底上面附着一层具有高电导率的金属膜而制备的具有复合结构的传感器灵敏度最高，然而这种传感器的拉伸范围极小，限制了其发展与应用。因此，迫切需要一种灵敏度高，同时探测形变量大的应变传感器。应变传感器其最主要的性能参数包括灵敏度(即应变系数(GF)，用电阻变化率与应变率的比值来表征)、应变传感范围、检测上下限、循环稳定性和重现性等。其中高灵敏度要求传感器在小的应变下发生显著的结构变化，而宽的工作范围则要求传感器在大应变下仍能保持导电结构的连通性，通常这二者互为矛盾，难以兼得。为了制备得到兼具高灵敏度和宽监测范围的柔性应变传感器，通常有两种方法：一是采用特殊的三维或螺旋网格结构来提高传感器的性能。二是选择具有良好导电性和柔性的敏感材料，在不损坏自身导电性能的前提下利用材料自身的性能来使柔性应变传感器实现良好的力学性能。MXene，即二维过渡金属碳化物或碳氮化物，是一种新型二维晶体材料，具有和石墨烯类似的结构，其化学式为Mn+1Xn，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素(例如Ti、V、Zn、Cr、Zr、Nb、Ta)，X为碳或/和氮元素，MXene可以通过氢氟酸刻蚀MAX相获得，MAX相是一类化学式为Mn+1AXn的三元层状化合物，其中M、X、n与上述一样，A为主族元素(多为Al，Si)。MXene具有良好的柔性和优异的电学、力学性能，相比于其他二维材料(如石墨烯)具有更好的导电性，使其在应变传感领域表现出极大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术旨在克服当前柔性应变传感器制备工艺复杂，应变灵敏度与应变感应范围相互制约等问题，提供一种制备高性能柔性应变传感器的方法。该传感器使用MXene来替代传统的金属或碳材料作为导电薄膜。通过将二维层状MXene包覆于具有三维结构的热塑性聚氨酯(TPU)纤维膜表面，得到三维的导电纤维膜。本专利技术提高了传感器的应变灵敏度，扩大了传感器的应变感应范围。本专利技术的具体技术方案为：一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，该传感器的组成包括柔性基底和导电层；所述的柔性基底是TPU柔性纤维膜，纤维膜的厚度为100μm-300μm；导电层是包覆于柔性基底表面的MXene导电层，导电层厚度为20-50nm；薄膜两端连接导线。所述的TPU柔性纤维膜，由TPU溶液通过静电纺丝得到的三维纤维网络结构；所述的MXene导电层是通过溶液滴涂法在所述柔性纺丝纤维上形成的高电导率薄膜；所述的TPU柔性纤维膜中纤维的平均直径为250nm。优选地，所述的MXene溶液浓度为1-4mg/mL；所述的电极为铜线或铜箔，所述的电极通过导电胶与MXene导电薄膜复合。所述的导电胶采用导电银浆或导电碳浆。所述的MXene材料的化学式为Mn+1Xn，其中，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳和氮元素中的一种或两种；M具体为Ti、Hf、Ta、Zr或V；所述的MXene材料具体为Ti3C2、Ti2C、Hf3C2、Ta3C2、Ta2C、Zr3C5或V2C。所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)将TPU弹性体溶于混合溶剂中，得到TPU纺丝液：所述的混合溶剂的组成为DMF和THF，二者体积比为DMF：THF＝1：1-4，所述的TPU弹性体的质量分数为10-21％；所述的TPU弹性体优选为1185A和1180A中的一种或两种，其中，1180A的质量分数为18％-1％，1185A的质量分数为1％-10％；(2)取上步得到的TPU纺丝液，在室温、15kV电压下对TPU溶液进行静电纺丝，接收板为铝箔，纺丝3-6h，得到TPU纤维膜，厚度为100μm-300μm；(3)制备TPU纤维-MXene导电膜：将TPU纤维膜从铝箔上揭下，剪成所需大小，再将MXene分散液滴涂到TPU纤维膜表面，真空干燥后即可得到导电纤维膜；所述的MXene分散液的浓度为1-4mg/mL；滴涂量为每平方厘米TPU纤维膜滴涂0.5-0.8mLMXene分散液，分散液的溶剂为水和乙醇的一种或两种；(4)组装器件：将导电纤维膜的MXene导电层的两端连接导线铜箔，得到柔性应变传感器。本专利技术的实质性特点为：本专利技术通过采用三维结构的柔性纺丝纤维膜作为基底，表面包覆具有二维片层结构的MXene，得到TPU纤维网络-MXene导电膜作为应变传感器的导电层，来替代表面平整的平面导电层。由于得到的导电膜具有特殊的三维结构，对外界微弱的应力极为敏感，使传感器在灵敏度和应变传感范围等方面都有很大的提高。本专利技术的有益效果为：(1)利用柔性纤维膜作为基底、二维MXene片层作为导电敏感材料，所述的柔性应变传感器能够在外界拉力作用下发生弹性形变。相互堆叠的MXene片层在外界拉力作用下，片层之间瞬间发生相对滑移、分离，导电通路的电阻迅速增大，使传感器具备极高的灵敏度。此外，由于TPU纤维膜具有良好的弹性，其三维网络结构可预存形变；同时MXene片层具有良好的柔性并与基底间具有良好的附着力，使传感器能够在大的拉伸形变下仍保持导电通路，从而提高了传感器的检测范围。此外，该柔性应变传感器具有多功能响应性，能够检测拉伸、压缩、弯曲等不同形变。本专利技术的柔性应变传感器具有以下优点：极高的灵敏度，GF达到102数量级；极宽的拉伸范围，最大可以检测100％的形变；极低的检测限，最低可检测0.1％的拉伸形变。(2)该柔性应变传感器由TPU柔性纤维膜作为基底，可以裁剪成任意形状，解决了现有传感器小型化困难的问题。适合应用于小型化和电子集成设备，可检测人体心跳、呼吸等生理信号，可用于制作检测人体健康的穿戴式设备。(3)该柔性应变传感器制备流程简单，无需进行复杂结构设计，成本低，TPU纤维-MXene导电膜通过简单的滴涂方法即可制备完成，在柔性电子器件领域有很大的发展前景。附图说明图1为本专利技术的柔性应变传感器的结构示意图；图2为TPU纤维-MXene导电膜表面的微观结构图像；图3为本专利技术的MXene基柔性应变传感器的拉伸循环性能曲线；图4为本专利技术的柔性应变传感器的相对电阻随拉伸形变变化的曲线；图5为本专利技术的柔性应变传感器对压缩形变的响应曲线；图6为本专利技术的柔性应变传感器对弯曲形变的响应曲线；图7为本专利技术的柔性应变传感器对微弱震动的响应曲线；具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为该传感器的组成包括柔性基底和导电层；所述的柔性基底是TPU柔性纤维膜，纤维膜的厚度为100 μm‑300 μm；导电层是包覆于柔性基底表面的MXene导电层，导电层厚度为20‑50 nm；所述的MXene材料的化学式为Mn+1Xn ，其中，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳和氮元素中的一种或两种。

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为该传感器的组成包括柔性基底和导电层；所述的柔性基底是TPU柔性纤维膜，纤维膜的厚度为100μm-300μm；导电层是包覆于柔性基底表面的MXene导电层，导电层厚度为20-50nm；所述的MXene材料的化学式为Mn+1Xn，其中，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳和氮元素中的一种或两种。2.如权利要求1所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为所述的M为Ti、Hf、Ta、Zr或V。3.如权利要求1所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为所述的TPU柔性纤维膜中纤维的平均直径为250nm。4.如权利要求1所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为所述的TPU柔性纤维膜，由TPU溶液通过静电纺丝得到的三维纤维网络结构；所述的MXene导电层是通过溶液滴涂法在所述柔性纺丝纤维上形成的高电导率MXene薄膜。5.如权利要求3所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为所述的MXene溶液浓度为1-4mg/mL。6.如权利要求1所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为所述的电极为铜线或铜箔，所述的电极通过导电胶与MXene导电薄膜复合。7.如权利要求5所述的基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器，其特征为所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑文静，杨凯，杨进争，李新新，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12