一种MPAE导电复合水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种MPAE导电复合水凝胶及其制备方法和应用，属于复合材料和传感器技术领域；本发明专利技术中首先将LiF粉末和Ti3AlC2粉末在HCl中反应制备了Mxene材料，然后利用Mxene材料、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺制备了MPAE导电复合水凝胶；所述MPAE导电复合水凝胶以聚乙烯醇和聚丙烯酰胺构建的三维立体网络结构为主体，其中如鱼鳞状均匀分散着MXene纳米片；所述MXene材料具有多层片状结构，整体呈手风琴状；所述MPAE导电复合水凝胶在制备压阻式柔性传感器中有着很好的应用。中有着很好的应用。中有着很好的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种MPAE导电复合水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合材料和传感器
，具体涉及一种MPAE导电复合水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，柔性传感器将外界物理或环境变化转化为电信号，是连接自然环境和日常生活的纽带，其在信息化时代担任不可或缺的角色。相比于传统基于金属材料的压力传感器，柔性压阻式应变传感器有可拉伸性、可穿戴性、应变范围高和可逆性等特点，同时它们的合成过程简单方便，可以通过化学或电化学过程来实现。因此，柔性压阻式应变传感器的各种新型设备逐渐应用于电子皮肤智能设备和医疗保健等方面。
[0003]柔性压阻式应变传感器基于导电聚合物制备，导电聚合物的导电率在受到浓度、外界温度、气体环境等因素的影响时，会显著变化。导电水凝胶是一种结合了水凝胶的柔软性和导体的电子性质的导电聚合物，其可以模仿人类皮肤的功能、对外界环境的变化作出响应，具有优异的机械和传感性能。然而，使用纯水作为分散介质的导电水凝胶室温下容易失水降低机械性能，低温下冻结容易减小导电性和降低机械性，难以长期保持导电性和机械性能，这限制了导电水凝胶的应用。因此研究一种持久保湿和长期稳定的导电水凝胶柔性传感器是至关重要的。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种MPAE导电复合水凝胶及其制备方法和应用。本专利技术中首先将LiF粉末和Ti3AlC2粉末在HCl中反应制备了Mxene材料，然后利用Mxene材料、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAM)制备了MPAE导电复合水凝胶；所述MPAE导电复合水凝胶以聚乙烯醇和聚丙烯酰胺构建的三维立体网络结构为主体，在三维立体网络结构中均匀负载着MXene材料，水凝胶表面呈现鱼鳞状；其中所述MXene材料具有多层片状结构，呈手风琴状；所述MPAE导电复合水凝胶在制备压阻式柔性传感器中有着很好的应用。
[0005]本专利技术中首先提供了一种MPAE导电复合水凝胶，所述MPAE导电复合水凝胶以聚乙烯醇和聚丙烯酰胺构建的三维立体网络结构为主体，在三维立体网络结构中均匀负载着MXene材料，水凝胶表面呈现鱼鳞状；其中所述MXene材料具有多层片状结构，呈手风琴状。
[0006]本专利技术中还提供了一种MPAE导电复合水凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
[0007](1)MXene材料的制备：
[0008]将LiF粉末溶于HCl溶液中搅拌混合均匀，混合均匀后多次加入Ti3AlC2粉末，然后水热反应，反应结束后稀释、离心、洗涤、干燥，得到MXene材料；
[0009]将MXene材料加入到溶剂中，冰水浴中超声分散均匀，得到MXene分散液；
[0010](2)MPAE导电复合水凝胶的制备：
[0011]向聚乙烯醇溶液中加入丙烯酰胺(AAm)、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、过硫酸铵(APS)和MXene分散液，搅拌均匀，室温下静置至气泡消失，然后在60～70℃下聚合反应，聚
合结束后冷藏，得到MPAE导电复合水凝胶。
[0012]进一步的，步骤(1)中，LiF粉末、HCl溶液和Ti3AlC2粉末的用量比为0.6
‑
1g:10mL:0.5g；所述HCl溶液的浓度为9mol/L。
[0013]进一步的，步骤(1)中，所述水热反应为在35～45℃下反应24～48h。
[0014]进一步的，步骤(1)中，所述稀释、离心、洗涤为：用10倍体积蒸馏水稀释，离心处理至上清液pH<6，过滤洗涤。
[0015]进一步的，步骤(1)中，MXene材料和溶剂的用量比为5～25mg：5mL；所述溶剂为水、乙二醇、乙二醇和水的混合溶液中的任一种。
[0016]进一步的，所述溶剂优选为水和乙二醇的混合溶液。
[0017]进一步的，步骤(2)中，所述聚乙烯醇溶液制备方法为：将聚乙烯醇(PVA)加入到蒸馏水中，在95℃中搅拌2h；所述聚乙烯醇溶液的浓度为10wt％。
[0018]进一步的，步骤(2)中，聚乙烯醇溶液、丙烯酰胺(AAm)、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、过硫酸铵(APS)和MXene材料的用量比为0.3g:0.6
‑
1.5g:0.2mg:20mg:5
‑
25mg。
[0019]进一步的，步骤(2)中，所述聚合反应的时间为0.5～1h；
[0020]所述冷藏的条件为在
‑
20℃下冷藏6～18h。
[0021]本专利技术中还提供了上述MPAE导电复合水凝胶在制备压阻式柔性传感器中的应用。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0023]本专利技术中将制备的MXene材料引入以聚乙烯醇和聚丙烯酰胺为主体的水凝胶半互穿聚合物网络中解决了水凝胶不具有导电性的问题。加入MXene材料后，导电率可提升0.83S/m。并且，MXene材料具有多层片状结构，呈手风琴状，受到挤压时，会发生层间可逆滑动，引起水凝胶电阻的变化，其灵敏度GF可达到10.95，响应时间为0.11S。
[0024]本专利技术在制备过程中采用“有机溶剂/水”的复合型导电水凝胶，代替了单一的水溶液体系，乙二醇(EG)的加入提高了MPAE导电复合水凝胶在极端条件下的稳定性(
‑
40至40℃)。相比于浸泡法，直接加入EG可以使水凝胶获得更持久的保湿能力以及优异的机械性能。
[0025]本专利技术中制备的MPAE导电复合水凝胶具有优秀的导电性能，可在电子皮肤、软体机器人和健康监测领域实现广泛的应用。
附图说明
[0026]图1为MXene纳米片的扫描电镜图。
[0027]图2为MPAE导电复合水凝胶的扫描电镜图。
[0028]图3为不同PVA和AAm质量比下制备的MPAE导电复合水凝胶的拉伸
‑
应力曲线图。
[0029]图4为加入不同体积EG制备出的MPAE导电复合水凝胶在
‑
40至40℃温度范围下的储能模量(G
’
)曲线图。
[0030]图5为加入不同体积EG制备出的MPAE导电复合水凝胶在
‑
40至40℃温度范围下的损耗模量(G”)曲线图。
[0031]图6为MPAE导电复合水凝胶的相对电阻变化图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0033]实施例1：
[0034](1)MXene材料的制备：
[0035]将0.02mol的LiF粉末加入到10mL含0.18mol的HCl溶液中，室温下搅拌10min后，再将0.005mol Ti3AlC2粉末分三次，30min内加入到上述溶液中。然后，水浴加热升温至41℃，反应48h，待反应结束后，用10倍体积蒸馏水稀释，离心处理至上清液Ph&l本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MPAE导电复合水凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)MXene材料的制备：将LiF粉末溶于HCl溶液中搅拌混合均匀，混合均匀后多次加入Ti3AlC2粉末，然后水热反应，反应结束后稀释、离心、洗涤、干燥，得到MXene材料；将MXene材料加入到溶剂中，冰水浴中超声分散均匀，得到MXene分散液；(2)MPAE导电复合水凝胶的制备：向聚乙烯醇溶液中加入丙烯酰胺、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和MXene分散液，搅拌均匀，室温下静置至气泡消失，然后在60～70℃下聚合反应，聚合结束后冷藏，得到MPAE导电复合水凝胶。2.根据权利要求1所述的MPAE导电复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，LiF粉末、HCl溶液和Ti3AlC2粉末的用量比为0.6
‑
1g:10mL:0.5g；所述HCl溶液的浓度为9mol/L。3.根据权利要求1所述的MPAE导电复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水热反应为在35～45℃下反应24～48h。4.根据权利要求1所述的MPAE导电复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述稀释、离心、洗涤为：用10倍体积蒸馏水稀释，离心处理至上清液pH<6，过滤洗涤。5.根据权利要求1所述的MPAE导电复合水凝胶的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚飞，冯辉霞，黄晓雪，杨甜甜，李聪聪，贵玉洁，陈婷，马雪梅，杨雨辰，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：