一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法及产品技术

本发明专利技术公开了一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法及产品，制备步骤如下：1)将聚乙烯吡咯烷酮制备成质量分数为45％的静电纺丝液；2)将步骤1)得到的静电纺丝液，采用静电纺丝法沉积在叉指电极上，纺丝时间为50分钟；3)将聚氨酯海绵先浸泡在壳聚糖溶液烘干后，再浸泡在MXene纳米片的分散液中，烘干后形成压力传感器材料；4)将步骤3)得到的压力传感器材料，连接到步骤2)得到的叉指电极上，制成压力传感器。该传感器可用来检测并且区分不同幅度的人体活动，拓宽MXene柔性压力传感器在人工智能、电子皮肤等领域中的应用。电子皮肤等领域中的应用。电子皮肤等领域中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法及产品


[0001]本专利技术属于，涉及一种MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法及产品。

技术介绍

[0002]柔性压力传感器由于其便携性、实时传感性、灵活性等优点，在瞬态电子皮肤、柔性显示器和人工智能等领域都得到了热切的关注。其中压阻式压力传感器具有频率响应快、稳定性能好、制备工艺流程简单等优点，为了制备具有多种特性的压阻传感器，选择合适的压敏材料是至关重要的。压敏材料主要集中在低维碳(如碳纳米管和石墨烯)、金属纳米粒子和导电聚合物。而聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)通常用作支撑基板，使压阻传感器保持柔性。
[0003]影响压阻式压力传感器灵敏度的因素有电阻率和几何效应。传统的压阻式压力传感器大都基于半导体材料和金属，它们的高导电性和固有刚性，使得它们在拥有高灵敏度的同时，只能检测很窄的应变范围。兼具导电性、亲水性和可弯曲性的MXene，就成为了制造优异性能压力传感器的候选材料。
[0004]MXenes指的是一类化合物，是二维(2D)过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物的总称。由于它的层状结构以及周围的悬挂基团，使它具有优良的导电性和机械柔性,完全符合柔性力敏传感器对导电敏感材料的要求,因而MXenes在柔性电子领域也逐渐受到了越来越多的关注。本专利技术的这种基于MXene所制备的柔性压力传感器，是利用聚氨酯(PU)海绵作为MXene的支撑基板，以壳聚糖(CS)作为它们的黏着剂，然后将其固定在叉指电极上，制备而成的传感器。该传感器符合压阻式压力传感器的工作原理，在灵敏度、响应时间、耐用性、可弯曲性等方面都表现良好。而后，我们还提出一种对传感器进行性能改进的方法，在叉指电极上用静电纺丝法纺织PVP纤维隔层，增大初始电阻，降低初始电流，器件灵敏度得到大幅提升。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法及产品。
[0006]本专利技术具体提供了如下的技术方案：有鉴于此，本专利技术提供一种MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法，制备步骤如下：
[0007]1)将聚乙烯吡咯烷酮制备成质量分数为45％的静电纺丝液；
[0008]2)将步骤1)得到的静电纺丝液，采用静电纺丝法沉积在叉指电极上，纺丝时间为50分钟；
[0009]3)将聚氨酯海绵先浸泡在壳聚糖溶液烘干后，再浸泡在MXene纳米片的分散液中，烘干后形成压力传感器材料；
[0010]4)将步骤3)得到的压力传感器材料，连接到步骤2)得到的叉指电极上，制成压力
传感器。
[0011]进一步，步骤1)所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为58000。
[0012]进一步，步骤3)所述的MXene纳米片的横向尺寸为几百纳米到几纳米，厚度为1.65nm。
[0013]进一步，步骤3)所述的MXene纳米片的制备方法为：首先，将2g LiF粉末溶解在40mL 9mol/L的盐酸中，磁力搅拌下，在30分钟内，分10次将2g的Ti3AlC2粉末加入烧杯中，搅拌10分钟后，放入油浴锅中搅拌24h。将反应后的溶液，进行离心处理，转速为3500rpm，时间为5min，上层浑浊液体倒入废液桶，重复多次，直至上层液体呈墨绿色，pH接近中性，摇匀备用；将溶液倒入洗气瓶中，通入氩气，同时低温下超声1h；将洗完的溶液再次离心处理，转速3500rpm，时间为1h，保留离心后的上层液体即为MXene纳米片溶液。
[0014]2、根据上述一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法制备得到的压力传感器。
[0015]进一步，灵敏度为13.30kPa
‑1～50.27kPa
‑1。
[0016]进一步，压力检测范围为1kPa～17kPa。
[0017]本专利技术的有益效果在于：本专利技术制备了一种灵敏度高的柔性可穿戴式压力传感器，此柔性可穿戴压力传感器利用MXene作为导电材料，采用质量分数为45％的PVP溶液叉指电极表面静电纺丝一层PVP纤维隔层。当PVP质量分数为15％和30％时，由于溶液黏度较低导致纤维链之间产生断裂，从而只能得到分立的珠点和带有珠串的纤维，而质量分数为45％的PVP溶液纺丝出的纤维状态均匀，适合作为绝缘隔层。此绝缘隔层通过增大导电材料与叉指电极间的初始电阻，降低初始电流，增大了传感器的灵敏度。经测试当纺丝时间为50min时，传感器的灵敏度由9.73kPa
‑1提高到了50.27kPa
‑1，相对未纺丝时提高了近5倍。当纺丝时间小于50min时，由于隔层厚度太小，不能很好的起到隔绝部分电子的作用。而当纺丝时间大于50min时，虽然降低了初始电阻，同时也减小了器件的输出电流，灵敏度降低。因此，合适的纺丝时间才能使传感器的灵敏度达到最佳效果。基于以上传感性能，传感器可用来检测并且区分不同幅度的人体活动，拓宽MXene柔性压力传感器在人工智能、电子皮肤等领域中的应用。
附图说明
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图：
[0019]图1压力传感器1的灵敏度测试结果；
[0020]图2压力传感器2的灵敏度测试结果；
[0021]图3压力传感器3的灵敏度测试结果；
[0022]图4压力传感器4的灵敏度测试结果；
[0023]图5压力传感器5的灵敏度测试结果；
[0024]图6质量分数为15％的PVP静电纺丝纤维图；
[0025]图7质量分数为30％的PVP静电纺丝纤维图；
[0026]图8压力传感器1
‑
5在不同压力下的相对电流值的测试结果；
[0027]图9压力传感器1在不同压力下的伏安测试结果；
[0028]图10压力传感器1在3kPa下进行重复测试的测试结果；
[0029]图11压力传感器1实时监测人体活动测试结果。
具体实施方式
[0030]下面结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。
[0031]实施例1
[0032]1、利用化学剥离法制备MXene纳米片。(参考文献Ghidiu M,Lukatskaya M R,Zhao M Q,et al.Conductive two
‑
dimensional titanium carbide
‘
clay
’
with high volumetric capacitance[J].Nature,2014,516(7529):78
‑
81.上的制备方法)
[0033]2、将聚氨酯海绵先浸泡在壳聚糖溶液烘干后，再浸泡在MXene纳米分散液中，烘干后形成压力传感器材料。
[0034]3、将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)制备成质量分数为45％静电纺丝液。聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量重均为58000。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：1)将聚乙烯吡咯烷酮制备成质量分数为45％的静电纺丝液；2)将步骤1)得到的静电纺丝液，采用静电纺丝法沉积在叉指电极上，纺丝时间为50分钟；3)将聚氨酯海绵先浸泡在壳聚糖溶液烘干后，再浸泡在MXene纳米片的分散液中，烘干后形成压力传感器材料；4)将步骤3)得到的压力传感器材料，连接到步骤2)得到的叉指电极上，制成压力传感器。2.一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为58000。3.一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)所述的MXene纳米片的横向尺寸为几百纳米到几纳米，厚度为1.65nm。4.一种基于MXene/PVP的柔性可穿戴压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)所述的MXene纳米片的制备方法为：首先，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张纪才，刘泽瑞，刘婷，徐福建，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：