一种基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法。制备方法如下：(1)制备MXenes纳米片：采用刻蚀法制备了MXenes。简单地说，将碳化钛铝粉和氟化锂溶解于盐酸溶液中，在200℃的烘箱中密封24h。收集得到的悬浮液并洗涤，离心后冷冻干燥得到MXenes纳米片；(2)Mxenes纳米片聚电解质水凝胶的制备：采用阴阳离子单体与MXenes纳米片一步无规共聚的方法合成了聚两性电解质水凝胶。(3)基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶构建的柔性可穿戴传感器。本发明专利技术所构建的柔性可穿戴传感器可以灵敏而稳定地检测全范围的人类活动(如旋转肘部、弯曲手指等)和书写，以及在健康诊断和可穿戴设备领域具有较大的应用潜力。应用潜力。应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法


[0001]本专利技术属于柔性可穿戴导电材料
，尤其涉及基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着人工智能的飞速发展，柔性电子设备作为新一代电子应用的代表已在电子科技、个性化健康监控和人机交互等方面中引起了广泛的研究和关注。尤其是对柔性可穿戴设备的需求不断增长，作为感觉皮肤和软机器人中的必要组件，其可以将不同的外部刺激（例如压力、温度和湿度信号）转换为可检测的电信号，在健康监测系统具有潜在的应用前景。柔性可穿戴传感器兼具优异的柔性、高灵敏度和快速的传感功能，可以安装在衣服上，甚至可以直接贴合在人体皮肤表面，实现对人体运动和生理活动等方面的长期监测功能，如关节弯曲、说话、呼吸、脉搏、皮肤温度等。作为柔性电子设备的重要领域，除了高效率外，还必须满足几个基本要求，包括高拉伸性、柔韧性、耐用性、低功耗和生物相容性。
[0003]柔性传感器发展面临的关键挑战之一是缺乏可兼具导电、高度柔性和可拉伸的材料。目前，柔性传感器的常规策略是以柔性金属、聚合物薄膜和聚合物弹性体等柔性材料为基材，结合敏感的导电填料如石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、半导体等，实现敏感性与柔性的结合来制造柔性设备。然而，由于柔性金属、聚合物薄膜以及弹性体本身固有刚性大、拉伸性差和疲劳寿命短等缺点，与人体皮肤相比，这些传感器表现出有限的可拉伸性和较差的抗疲劳性，难以承受自然皮肤复杂的机械形状变化包括弯曲、扭曲、折叠和拉伸等，这给它们作为可穿戴设备的实际应用带来了极大的挑战。
[0004]MXenes (Ti3C2T
x
)是一种新近发展起来的二维(2D)层叠过渡金属碳化物，因其具有高导电性、优异的力学性能和大量的表面亲水性基团而被广泛提出作为电化学储能材料。在压阻传感材料中，MXenes纳米片在拉伸或压缩作用下的滑动和堆积会导致导电路径的数量和长度发生明显变化，从而导致电阻的剧烈变化，因此在压阻传感材料中也有很好的应用前景。然而，促进MXenes基水凝胶制备具有高延展性、高灵敏度和长耐久性的策略仍然是可取的。
[0005]在这项研究中，我们采用阴离子单体和阳离子单体一步无规共聚的方法合成了聚两性电解质水凝胶，然后加入MXenes纳米材料，合成Mxenes纳米片复合聚电解质水凝胶。这种复合聚两性电解质水凝胶是由带相反电荷的单体在高浓度的电荷平衡点附近随机共聚而成。电荷的随机性通过链间和链内络合形成了强度分布广泛的多个离子键。离子键对水凝胶的力学性能起两种作用:作为强键和弱键，不同于其他水凝胶中它们被用作弱键。强键作为永久交联来保持凝胶的形状，而弱键同时执行几个机械功能:通过键断裂增强断裂抗力，从而使材料变韧;通过产生高内摩擦，增强吸震能力;通过粘结层的再生，提高抗疲劳性能和自愈能力。因此，虽然物理聚两性水凝胶具有不同的拓扑结构，但它们也变得像双网络水凝胶一样坚韧:强键形成主网络，弱键形成杂化网络。所得MXenes纳米片复合聚电解质水
凝胶具有良好的拉伸性能、抗穿刺性能和循环稳定性。基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器成功地实现了高灵敏度、短响应时间和高再现性的张力和压力。基于水凝胶的传感器还可以准确响应各种大型人体动作，以及用于健康诊断的微小生理信号采集。本专利技术基于该MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶构建了具有超高拉伸性能、自粘附性及导电性能的柔性可穿戴应变传感器，并将其用于人体运动的传感检测。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提出了一种简单的，由MXenes和阴离子单体及阳离子单体一步无规共聚的方法合成了聚两性电解质水凝胶。简而言之，将制备的MXenes纳米片掺入到阳离子单体3
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(甲基丙烯酰氨基)丙基三甲基氯化铵（MPTC），阴离子单对苯乙烯磺酸钠(NaSS)混合溶液中。加入紫外光引发剂，以及氯化钠混合，并倒入一对玻璃板组成的反应池中，用365 nm紫外光照射，获得MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶。基于该MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶，构建了具有超高拉伸性能、自粘附性及导电性能的柔性可穿戴应变传感器，并将其用于人体运动的传感检测。
[0007]为了实现本专利技术的目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备MXenes纳米片：采用刻蚀法制备了MXenes；具体为：将碳化钛铝粉和氟化锂溶解于盐酸溶液中，注入氮气除氧后，在200℃的烘箱中密封反应；然后，收集得到的悬浮液并洗涤,离心后用冷冻干燥的方法干燥，得到MXenes纳米片；（2）将步骤（1）制备的MXenes纳米片掺入到阳离子单体3
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(甲基丙烯酰氨基)丙基三甲基氯化铵（MPTC），阴离子单对苯乙烯磺酸钠(NaSS)混合溶液中；加入紫外光引发剂，以及氯化钠混合，并倒入一对玻璃板组成的反应池中，用365 nm紫外光照射后获得凝胶；将制备好的凝胶在大量的水中浸泡后，使凝胶保持平衡，洗去残留的化学物质，获得MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶；（3）用步骤（2）的MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶构建柔性可穿戴应变传感器；为了监测人体运动，将柔性可穿戴应变传感器直接安装在志愿者皮肤上，并利用LCR测试仪实时记录柔性可穿戴应变传感器的电信号。
[0008]上述步骤（1）所述的MXenes纳米片的制备步骤为：将碳化钛铝粉和氟化锂溶解于盐酸溶液中，注入氮气除氧后，在190
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210℃的烘箱中密封24h；然后，收集得到的悬浮液并洗涤,离心后用冷冻干燥的方法干燥，得到MXenes纳米片。
[0009]上述步骤（2）所述的MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶，制备方法如下：MXenes纳米片掺入到阳离子单体3
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(甲基丙烯酰氨基)丙基三甲基氯化铵（MPTC），阴离子单对苯乙烯磺酸钠(NaSS)混合溶液中；加入紫外光引发剂（I2959），以及氯化钠混合，并倒入一对玻璃板组成的反应池中，用365 nm紫外光照射10 h；制备好的凝胶在大量的水中浸泡1周，使凝胶保持平衡，洗去残留的化学物质，获得MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶。
[0010]上述步骤（3）所述的柔性可穿戴应变传感器制备方法如下：将步骤（2）的MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶样品的两端用两层导电铜片与铜丝紧密固定，组装成柔性可穿戴应变传感器； MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶夹在两个VHB胶带之间，以防止水分蒸发
制得柔性可穿戴应变传感器；为了监测人体运动，将柔性可穿戴应变传感器直接安装在志愿者皮肤上，并利用LCR测试仪实时记录应变传感器的电信号。
[0011]本专利技术上述的基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法制得的基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器，其特征在于，能将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备MXenes纳米片：采用刻蚀法制备了MXenes；具体为：将碳化钛铝粉和氟化锂溶解于盐酸溶液中，注入氮气除氧后，在200℃的烘箱中密封反应；然后，收集得到的悬浮液并洗涤,离心后用冷冻干燥的方法干燥，得到MXenes纳米片；（2）将步骤（1）制备的MXenes纳米片掺入到阳离子单体3
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(甲基丙烯酰氨基)丙基三甲基氯化铵（MPTC），阴离子单对苯乙烯磺酸钠(NaSS)混合溶液中；加入紫外光引发剂，以及氯化钠混合，并倒入一对玻璃板组成的反应池中，用365 nm紫外光照射后获得凝胶；将制备好的凝胶在大量的水中浸泡后，使凝胶保持平衡，洗去残留的化学物质，获得MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶；（3）用步骤（2）的MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶构建柔性可穿戴应变传感器；为了监测人体运动，将柔性可穿戴应变传感器直接安装在志愿者皮肤上，并利用LCR测试仪实时记录柔性可穿戴应变传感器的电信号。2.根据权利要求1所述的基于MXenes纳米片复合聚电解质水凝胶的柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的MXenes纳米片的制备步骤为：将碳化钛铝粉和氟化锂溶解于盐酸溶液中，注入氮气除氧后，在190
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210℃的烘箱中密封24h；然后，收集得到的悬浮液并洗涤,离心后用冷冻干燥的方法干燥，得到MXenes纳米片。...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯茜，陈凯，肖秀峰，王枫，李鲁闽，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：