一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器及其制备方法，高灵敏三明治叠层结构柔性传感器包括MXenes二维材料层、导电聚合物纳米线材料层和弹性体基体材料层，所述MXenes二维材料层叠加在导电聚合物纳米线材料层上，导电聚合物纳米线材料层叠加在弹性体基体材料层上，其构成“三明治”结构的柔性应力传感器。本发明专利技术通过LiF插层、超声分散和离心处理成功制备了厚度为2.54nm的少层MXenes纳米片，并通过采用低温软模板法聚合直径为20nm～50nm的导电聚合物纳米线，采用逐层转移方式，构筑柔性应力传感器，以此解决刚性MXenes二维材料与柔性弹性体衬底之间的界面粘接问题，并在应力

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于触觉传感
，其涉及一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器及其制备方法，其具体为一种少层MXenes/导电聚合物纳米线的三明治结构的柔性传感器，其可应用于人体运动检测和人体健康监测。

技术介绍

[0002]随着人工智能、信息技术和电子技术的快速发展，柔性可穿戴设备作为下一代电子产品吸引了广泛的兴趣。柔性可穿戴设备中的柔性传感器在人类医疗保健、运动监测、人机界面、智能机器等领域具有潜在的应用价值；根据感知机制，柔性传感器包括电阻柔性传感器、电压柔性传感器和电容柔性传感器，柔性电阻传感器因其结构简单、易于制造和成本低而被认为是最具竞争力的候选传感器。
[0003]柔性电阻传感器的工作原理，就是将各种机械刺激(拉伸、压缩、弯曲等刺激行为)转换为可测量的电信号。提高柔性电阻传感器的适应性的研究主要集中在变形性和灵敏度(GF)方面，但是灵敏度和可变形性是矛盾的，因为灵敏度需要在微应变下发生明显的结构变化，而可变形性需要在大变形下保持完整的形态结构。目前柔性电阻传感器的研究策略主要集中在弹性基底和导电单元，其包括导电水凝胶、导电材料共混物、导电材料转移弹性体等。一般来说，导电水凝胶具有超大变形、良好的生物相容性和自愈合性；但是由于分子链的粘弹性，它们的灵敏度太低、生命周期过短等缺点。另一方面，由弹性体或其他混合或转移导电材料的柔性材料制成的柔性传感器，其基本可实现高灵敏响应及柔性可穿戴功能，但其可变形性较差，也就是其拉伸应变范围仍然需要业界解决。<br/>[0004]MXenes作为一种新型二维材料，已成为一类独特的层状结构金属材料，具有优异的机械性能、亲水性、丰富的表面官能团和高导电性等优良特性，广泛应用于柔性传感器。目前关于少层MXenes纳米片的应用研究主要集中在提高锂离子电池阳极的比容量、循环稳定性上，但是其可变形性与灵敏度结合方面的研究鲜有研究；另一方面，关于少层MXenes在触觉传感的应用也没有公开报道或研究。

技术实现思路

[0005]基于现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器及其制备方法，其通过HF刻蚀、氟盐插层和超声波剥离、离心分离成功制备了少层MXenes材料。
[0006]依据本专利技术的技术方案的第一方面，提供一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器，其包括MXenes二维材料层、导电聚合物纳米线材料层和弹性体基体材料层，所述MXenes二维材料层叠加在导电聚合物纳米线材料层上，导电聚合物纳米线材料层叠加在弹性体基体材料层上，其构成“三明治”结构的柔性应力传感器。
[0007]其中，所述MXenes二维材料层包括至少一层MXenes二维材料或少层MXenes二维材料，或者导电聚合物纳米线材料层包含至少一层导电聚合物纳米线材料，或者弹性体基体
材料层包括至少一层弹性体基体材料层。
[0008]优选地，构成弹性体基体材料层的弹性体基体材料为聚丙烯酸酯(PBS)，聚氨酯(TPU)，苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)，聚烯烃弹性体(POE)。
[0009]依据本专利技术的技术方案的第二方面，提供一种制备高灵敏三明治叠层结构柔性传感器的方法，所述方法在冰浴下通过十六烷基三甲基溴化铵胶束(CTAB)作为软模板原位聚合导电聚合物纳米线。通过离心抽滤，逐层转移，将导电聚合物纳米线和少层MXenes纳米片转移至弹性体基体上，以制备具有三明治堆叠结构的柔性传感器。
[0010]进一步地，所述制备高灵敏三明治叠层结构柔性传感器的方法将MAX材料(Ti3AlC2)采用氟盐和盐酸刻蚀获得多层MXenes，称取适量多层MXenes，将其加入到适量DMSO中分散，并在并在40℃下磁力搅拌24小时；然后将溶解有多层MXenes的DMSO溶液超声处理2h，以促进MXenes的剥离和分层；再用去离子水反复洗涤后，将溶解有多层MXenes的DMSO溶液以10000rpm/min离心5分钟以除去DMSO；然后，用去离子水分散沉淀并超声处理5分钟；在3500rpm/min离心10min的条件下，分离上清液；上清液是几层MXenes溶液，通过真空干燥后于真空条件保存。
[0011]其中，制备高灵敏三明治叠层结构柔性传感器的方法包括制备MXenes二维材料层、制备导电聚合物纳米线材料层和制备弹性体基体材料层。
[0012]更进一步地，制备MXenes二维材料层采用氟盐和氢氟酸刻蚀MAX材料(Ti3AlC2)制备至少一层MXenes二维材料或少层MXenes二维材料，其具体制备步骤包括以下步骤：
[0013]步骤S1，通过氟盐和氢氟酸插层刻蚀过渡金属碳化物Ti3AlC2；
[0014]步骤S2，将适量Ti3AlC2缓慢加入到步骤S1中得到的溶液中，在磁力搅拌下加热至40℃，蚀刻36小时～96小时；
[0015]步骤S3，用去离子水反复洗涤Ti3C2，离心机以3500rpm离心5min～10min，直到溶液pH值高于6；
[0016]步骤S4，将步骤S3制备的MXene材料(Ti3C2)放入真空炉中，在40℃下干燥24h～48h，并使用真空储存。
[0017]优选地，制备MXenes二维材料层包括少层MXenes纳米片制备，制备导电聚合物纳米线材料层为导电聚合物纳米线制备。
[0018]更优选地，制备弹性体基体材料层为将聚丙烯酸酯、聚氨酯、苯乙烯丁二烯嵌段共聚物、聚烯烃的弹性体，采用激光切割的方式，制作成10mm*20mm*2mm的弹性体衬底。
[0019]进一步地，制备导电聚合物纳米线材料层包括如下步骤：
[0020]步骤W1，将0.1～0.2g十六烷基溴化铵CTAB作为软模板分散在100ml～200ml HCl溶液中，在室温下缓慢加入0.2ml～0.4ml导电聚合物单体，持续搅拌混合半小时，磁力搅拌10～20分钟，然后冷却至冰浴温度；
[0021]步骤W2，将420mg～680mg过硫酸铵APS加入5ml的1mol/L
‑1HCl作为引发剂添加到步骤W1得到的溶液中；
[0022]步骤W3，冰浴条件下，低温聚合12小时后，沉淀用去离子水和乙醇洗涤数次后，通过滤纸真空抽滤得到导电聚合物纳米线，并使用真空储存。
[0023]与现有技术相比较，本专利技术的高灵敏三明治叠层结构柔性传感器及其制备方法，具有以下技术效果或有益效果：
[0024]1、本专利技术通过LiF插层、超声分散和离心处理成功制备了厚度为2.54nm的少层MXenes纳米片，并通过采用低温软模板法聚合直径为20～50nm的导电聚合物纳米线，采用逐层转移方式，构筑柔性应力传感器，以此解决刚性MXenes二维材料与柔性弹性体衬底之间的界面粘接问题，并在应力
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电响应机制上起到协同增效的目的。
[0025]2、本专利技术通过由少层MXenes/聚吡咯(PPy)纳米线组成的三明治堆叠结构的柔性传感器，以解决高灵敏度和宽传感范围之间的矛盾。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器，其特征在于，其包括MXenes二维材料层、导电聚合物纳米线材料层和弹性体基体材料层，所述MXenes二维材料层叠加在导电聚合物纳米线材料层上，导电聚合物纳米线材料层叠加在弹性体基体材料层上，其构成“三明治”结构的柔性应力传感器。2.根据权利要求1所述的一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器，其特征在于，所述MXenes二维材料层包括至少一层MXenes二维材料或少层MXenes二维材料，或者导电聚合物纳米线材料层包含至少一层导电聚合物纳米线材料，或者弹性体基体材料层包括至少一层弹性体基体材料层。3.根据权利要求2所述的一种高灵敏三明治叠层结构柔性传感器，其特征在于，构成弹性体基体材料层的弹性体基体材料为聚丙烯酸酯(PBS)，聚氨酯(TPU)，苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)，聚烯烃弹性体(POE)。4.一种制备高灵敏三明治叠层结构柔性传感器的方法，其特征在于，所述方法在冰浴下通过十六烷基三甲基溴化铵胶束(CTAB)作为软模板原位聚合导电聚合物纳米线。通过离心抽滤，逐层转移，将导电聚合物纳米线和少层MXenes纳米片转移至弹性体基体上，以制备具有三明治堆叠结构的柔性传感器。5.根据权利要求4所述的制备高灵敏三明治叠层结构柔性传感器的方法，其特征在于，其将MAX材料(Ti3AlC2)采用氟盐和盐酸刻蚀获得多层MXenes，称取适量多层MXenes，将其加入到适量DMSO中分散，并在并在40℃下磁力搅拌24小时；然后将溶解有多层MXenes的DMSO溶液超声处理2h，以促进MXenes的剥离和分层；再用去离子水反复洗涤后，将溶解有多层MXenes的DMSO溶液以10000rpm/min离心5分钟以除去DMSO；然后，用去离子水分散沉淀并超声处理5分钟；在3500rpm/min离心10min的条件下，分离上清液；上清液是几层MXenes溶液，通过真空干燥后于真空条件保存。6.根据权利要求4所述的制备高灵敏三明治叠层结构柔性传感器的方法，其特征在于，其包括制备MXenes二维材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：付勰，陆文强，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：