CN109535476A - 一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109535476A
CN109535476A CN201811425344.1A CN201811425344A CN109535476A CN 109535476 A CN109535476 A CN 109535476A CN 201811425344 A CN201811425344 A CN 201811425344A CN 109535476 A CN109535476 A CN 109535476A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mxene
chitosan
nanometer sheet
polyurethane foam
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811425344.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109535476B (zh
Inventor
李晓锋
李晓鹏
李岳
宋德奎
胡晨
闵芃
张好斌
于中振
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Chemical Technology
Original Assignee
Beijing University of Chemical Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Chemical Technology filed Critical Beijing University of Chemical Technology
Priority to CN201811425344.1A priority Critical patent/CN109535476B/zh
Publication of CN109535476A publication Critical patent/CN109535476A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109535476B publication Critical patent/CN109535476B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/36—After-treatment
    • C08J9/40—Impregnation
    • C08J9/42—Impregnation with macromolecular compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J9/00—Working-up of macromolecular substances to porous or cellular articles or materials; After-treatment thereof
    • C08J9/36—After-treatment
    • C08J9/40—Impregnation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2375/00—Characterised by the use of polyureas or polyurethanes; Derivatives of such polymers
    • C08J2375/04—Polyurethanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2405/00—Characterised by the use of polysaccharides or of their derivatives not provided for in groups C08J2401/00 or C08J2403/00
    • C08J2405/08—Chitin; Chondroitin sulfate; Hyaluronic acid; Derivatives thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料以及由该材料构筑的高灵敏度、高可靠性压阻式传感器及其制备方法，其中通过对传感器中的导电网络、微裂纹的结构控制，引入Mxene@壳聚糖的结构体系使导电填料的结合更为牢固紧密的包覆于聚氨酯骨架之上，能够大大提高长期循环使用的稳定性，并且由于Mxene纳米片的尺寸较小，包覆聚氨酯骨架所产生的微裂纹数量更多，对于其小应变下的检测更为准确。并且，本发明还通过制备传感器过程中对于导电填料的浸渍次数（浸渍1‑5次，优选为2次）、以及制备过程中所采用的离心脱除没有完全包覆于骨架之上的Mxene纳米片以及干燥温度这两个工艺的处理步骤进行优化，能够得出具有良好应力应变的Mxene@CS@PU复合三维结构。

Description

一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于柔性及可穿戴电子学领域以及新材料技术领域，具体涉及一种新型复合压阻式聚氨酯泡沫及其制备方法和使用该复合聚氨酯泡沫组装的压阻式传感器。
背景技术
二维片状纳米材料Mxene-过渡金属碳化物，是一种新型的导电材料，于2011年由美国德雷克赛尔大学的尤里.高果奇教授及其同事所共同发现。Mxene是通过刻蚀其前驱体材料MAX相来获得的。其中M为过渡族金属，A主要为Ⅲ 或Ⅳ 族元素，X为C或N元素。由于Mxene具有像石墨烯类似的二维片层构造，并且具有比表面积大、活性位点多以及原子层厚度等特性，还拥有良好的亲水性，金属导电性，化学组成可调等优势，迄今为止，Mxene已经在新能源、催化、电磁屏蔽等方面展现出了巨大的应用潜力。虽然Mxene具有绝大多数二维片状纳米材料不可企及的金属导电性，在传感器领域会有良好的应用，但是迄今为止 却鲜有在传感领域的研究应用。
目前，柔性电子传感器根据不同的信号转换机理可以分为电阻型、电容型和压电型等。其中电阻型应变传感器由于结构简单、成本低、集成以及信号采集相对容易而备受关注。应变传感器的基本原理即将器件的应变变化转化电阻信号进行输出，从而用于监测引起应变的应力信号，其最主要的性能参数包括灵敏度(通常用Gage factor，相对电阻变化与应变变化的比值来表征)、应变感应范围、检测下限、循环稳定性等。获得大的灵敏度需要器件在小的应变下发生显著的结构变化，而大的工作范围则要求器件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。
为了制备得到同时具有较大应变感应范围和高灵敏度的柔性应变传感器，我们选择了新型的导电材料Mxene与传统的聚氨酯泡沫，利用材料自身的优异导电性以及聚氨酯泡沫的多孔性，来使柔性电子传感器在不损坏本身电子性能的基础上实现良好的伸展性和弯曲性。目前用聚氨酯泡沫作为传感器骨架的研究（文献1、2、3）以及以Mxene作导电填料的研究（文献4、5）其制备方法较为繁琐，成本较高，应用受到限制，并且所制备得到的传感器的使用局限性大，难以实现量产化。现有技术文献如下：
文献1：Channel Crack-Designed Gold@PU Sponge for Highly ElasticPiezoresistive Sensor with Excellent Detectability. ACS Appl. Mater.Interfaces，2017，9：20098-20105
文献2：Highly Exfoliated MWNT-rGO Ink-Wrapped Polyurethane Foam for
Piezoresistive Pressure Sensor Applications. ACS Appl. Mater. Interfaces，2018,10：5185-5195
文献3：Large-Area Compliant, Low-Cost, and Versatile PressureSensingPlatform Based on Microcrack-Designed Carbon Black@Polyurethane Sponge forHuman–Machine Interfacing. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6246–6256
文献4：3D Synergistical MXene/Reduced Graphene Oxide Aerogel for aPiezoresistive Sensor. ACS Nano 2018, 12, 3209-3216
文献5：Stretchable Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanotube Composite Based StrainSensor with Ultrahigh Sensitivity and Tunable Sensing Range. ACS Nano 2018,12, 1, 56-62。
发明内容
针对现有的技术上的缺陷或者改进需求，本发明的目的在于提供一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料以及由该材料构筑的高灵敏度、高可靠性压阻式传感器及其制备方法，其中通过对传感器中的导电网络、微裂纹的结构控制，引入Mxene@壳聚糖的结构体系使导电填料的结合更为牢固紧密的包覆于聚氨酯骨架之上，能够大大提高长期循环使用的稳定性，并且由于Mxene纳米片的尺寸较小，包覆聚氨酯骨架所产生的微裂纹数量更多，对于其小应变下的检测更为准确。并且，本发明还通过制备传感器过程中对于导电填料的浸渍次数（浸渍1-5次，优选为2次）、以及制备过程中所采用的离心脱除没有完全包覆于骨架之上的Mxene纳米片以及干燥温度这两个工艺的处理步骤进行优化，能够得出具有良好应力应变的Mxene@CS@PU复合三维结构。
为实现上述目的，本发明一个方面提供了一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料，所述的Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫是由Mxene纳米片包覆于聚氨酯泡沫上并由壳聚糖作为“粘合剂”而得到的三维复合材料。
另一方面，本发明提供了一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料的制备方法，该方法通过Mxene纳米片和壳聚糖电性相反的原理，通过静电作用力使Mxene纳米片在聚氨酯骨架之上包覆更为紧密，将Mxene纳米片包覆上去之后，再经离心脱除多余未完全包覆的Mxene纳米片，最后真空干燥制备得到的。
作为本发明的进一步优选，该方法为通过“片层堆叠”的方法，先浸渍一层壳聚糖后浸渍一层Mxene纳米片的方法，经过1-5次的循环浸渍，再将得到的复合三维结构真空干燥处理制备得到的。
作为本发明的进一步优选，所述离心脱除为低速离心脱除，离心速度为100-1000rpm，真空干燥的温度为30-60℃。
再一方面，本发明提供了上述Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫复合三维材料在制备传感器中的应用，所述传感器为压力传感器，优选为压阻式压力传感器。
再一方面，本发明还保护一种压阻式传感器，所述的传感器的传感活性部件为所述的Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料，Mxene与壳聚糖通过静电作用力紧密结合；所述的聚氨酯泡沫的开孔孔径大小为50-500μm。
作为本发明的进一步优选，所述传感器活性部件对应的电阻值能够在传感器所处的压力条件下发生变化时产生相应变化；优选的，在外部应力作用下，所述Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫骨架上的微裂纹、泡孔距离、泡孔孔径均会发生变化。
作为本发明的进一步优选，所述的压阻式传感器为柔性可回弹压阻式传感器，还包括柔性聚酰亚胺@铜薄膜电极；优选的，所述的可回弹压阻式传感器是通过以下步骤组装得到的：将聚酰亚胺薄膜清洗干净，使用双面胶将铜箔与聚酰亚胺薄膜粘合，使用导电银胶将铜箔固定在复合泡沫上，并以铜导线引电极，从而得到柔性传感器。
再一方面，本发明还保护所述的压阻式传感器的制备方法，包括步骤如下：
（1）将Mxene纳米片分散到水中，制备Mxene纳米片的水分散液，置于氮气氛围中保护；
（2）将壳聚糖溶于0.1-1wt%的醋酸水溶液中，制备壳聚糖水溶液；
（3）将清洗干净的聚氨酯泡沫通过真空浸渍的方法浸渍于壳聚糖溶液中，随后取出通过离心脱除的方法将多余的壳聚糖脱除，只留在聚氨酯泡沫骨架上一层壳聚糖，干燥；
（4）将包覆有壳聚糖的聚氨酯泡沫通过真空浸渍的方法浸渍于Mxene纳米片的水分散液中，随后取出通过离心脱除的方法将多余的Mxene纳米片脱除，只留在聚氨酯泡沫骨架上一层Mxene纳米片，干燥；
（5）步骤（3）和（4）重复1-5次，得到Mxene纳米片包覆聚氨酯泡沫压阻材料，裁剪成合适尺寸，Mxene/聚氨酯复合泡沫相对的两个表面使用导电银胶粘结铜电极以及导线构成压阻式传感器。
作为本发明的进一步优选，步骤（1）所述的Mxene纳米片分散液浓度为0.1-4mg/ml。
作为本发明的进一步优选，步骤（1）所述的Mxene纳米片的片层单边尺寸在0.5-10μm之间，层数在1-10层之间；更优选的，所述的Mxene纳米分散质优选为Ti3C2Tx片层，其单边片层大小在1-2μm之间，层数在1-3层左右。
作为本发明的进一步优选，所述的Mxene纳米片由盐酸和氟化锂选择性刻蚀前驱体MAX相来获得的；所述的前驱体MAX中，M相为过渡金属元素，A为ⅢA或ⅣA元素，X为C或N元素。
作为本发明的进一步优选，所述Mxene纳米分散液的浓度是0.1-4mg/ml，更优选Mxene纳米分散液的浓度是2mg/ml。
作为本发明的进一步优选，步骤（2）中，所述壳聚糖溶液是将壳聚糖溶于0.4wt%醋酸溶液中得到的，所得的壳聚糖分散液的浓度优选为0.2wt%；
作为本发明的进一步优选，步骤（3）和步骤（4）中，所述离心脱除为低速离心脱除，离心速度为100-1000rpm；所述的干燥为真空干燥，干燥温度为30-60℃。
总的来说，本发明中的一种Mxene纳米片包覆聚氨酯泡沫构筑高灵敏度、高可靠性压阻式传感器的制备方法，其中的传感活性部分包括Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维结构，其为多孔聚合物结构，可以是通过操作简单、低成本的真空浸渍的方法制备而成三维包覆结构。此外，本发明还优选使用了聚氨酯泡沫，可以赋予最终制备得到的传感器的机械强度。
另外，本发明提供了一种可获得高灵敏度压阻式传感器的压阻式传感器的新材料（即Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫复合三维泡沫结构），通过将新型的二维片状导电材料与传统的聚氨酯泡沫通过静电包覆形成三维复合结构，可获得高灵敏度传感器（如压阻式传感器，尤其是基于Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫传感器）。当施加外部应力时，首先是小的应力时，聚氨酯骨架上所包覆的Mxene纳米片之间所形成的微裂纹会在外部小应力的作用下增大间距，外部宏观表现为电阻升高，此时，撤去外部应力，微裂纹之间的间距恢复，电阻也恢复正常状态；当所施加的外部应力的大小超过一定范围，使聚氨酯相邻的泡孔骨架之间互相接触时，这个过程中，虽然微裂纹之间的距离在增大，但是聚氨酯泡沫骨架之间相互接触，形成更多的导电通路，这时外部的宏观表现为电阻下降，此时砗磲外部应力，泡孔之间的接触恢复原状，电阻也恢复正常状态。并且经过5000圈的长期压缩循环以及水洗1h以后，复合三维结构的骨架包覆层、泡孔结构均未发现明显的破坏现象，对其进行实际应用测试均能够展示出良好的工作状态。
该复合三维复合材料具有密度低、高弹性、高循环稳定性和对电的响应性灵敏等一些列的优点，并且制备方法简单、成本低廉。Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料经简单的循环真空浸渍后，经过真空干燥制备形成低密度、高回弹性、高循环稳定性的三维聚氨酯泡沫结构，然后经过简单的组装即可得到最终的目标器件。
可见，本发明中Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料构筑的高灵敏度、高可靠性压阻式传感器能够有效避免繁琐复杂的操作工艺，在三维聚氨酯泡沫骨架之上进行包覆，形成三维分级多孔结构，最终可以得到高灵敏度可逆压缩的压阻式传感器。
总之，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在所述的聚氨酯泡沫骨架之上有大量微裂纹的存在，所述的Mxene包覆的聚氨酯泡沫压阻式传感器经过20%应变的反复压缩5000圈以后任然具有良好的信号反馈性，并且在扫描电镜下观察到Mxene纳米片没有明显脱落破坏现象。
2.所述的Mxene纳米片包覆的聚氨酯泡沫经过水洗1h以后，其性能仍然没有发生衰减，仍能够测试出相应的外部刺激所引起的信号变化，并且其微观结构在扫描电镜下观察到没有发生纳米片的破坏脱落。
3.所述的Mxene纳米片包覆的聚氨酯泡沫能够检测接触式和非接触式2种模式的微小/大应变所引起的信号变化。本发明制备方法简单，操作方便，在常温下即可进行制备组装，无需繁琐或者有毒的还原剂还原，且导电填料Mxene纳米片的用量少，绿色环保，环境友好，已实现大规模的制备。
附图说明
下面结合附图作进一步的说明。
图1为本发明的工艺流程图；
图2-图7分别为MAX相前驱体、Mxene纳米片的扫描电镜、单片层Mxene纳米片的原子力显微镜照片；
图8为Mxene纳米分散液的丁达尔现象照片；
图9-10为纯聚氨酯泡沫的扫描电镜图像；
图11-12为包覆Mxene纳米片聚氨酯泡沫扫描电镜图；
图13-14为经5000圈反复压缩循环的电阻变化率随时间变化图；
图15为循环压缩5000圈后扫描电镜图像；
图16为水洗1h后扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、实施技术方案及优点展现的更加明白，以下的阐述中结合附图具体讲解说明。需要指出的是，以下的讲解说明所针对的仅仅是用以解释本发明，但并不限于本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中的Mxene纳米片是通过盐酸和氟化锂原位形成氢氟酸的方法，来选择性的刻蚀MAX相前驱体中的A元素层，同时氟化锂所产生的锂离子进行层间插层化，再通过离心收集相应的上清液、超声剥离最终得到单片层的Mxene纳米片。然后将洗净的聚氨酯泡沫通过真空浸渍的方法使壳聚糖包覆到泡沫骨架之上，优选采用低速离心脱除的方法将多余的壳聚糖以及Mxene脱除，通过循环真空浸渍、真空干燥的方法使Mxene纳米片牢固的包覆于聚氨酯泡沫上，最终得到Mxene@壳聚糖@聚氨酯三维复合泡沫。在受到外界应力时，其聚氨酯骨架上的微裂纹、聚氨酯泡沫泡孔的孔径会发生前文所述的形变，外部宏观表现为电阻随外力的变化，从而获得较高的灵敏度，能够将外界应力转化为相应的电信号。
为降低传感器的制备成本，将剥离制备得到的Mxene纳米片与壳聚糖经过简单的真空浸渍的方法包覆于聚氨酯泡沫骨架之上，其中壳聚糖在Mxene纳米片和聚氨酯骨架、Mxene纳米片与Mxene纳米片之间充当粘合剂的作用。这种制备方法简单可行，容易规模化制备生产，且不会产生污染物，是一种绿色生产制备方法。
实施例1
Mxene纳米片的制备方法如下：
（1）MAX前驱体500目过筛；
（2）在聚四氟乙烯容器中加入10ml去离子水，冰浴，使去离子水的温度降至5℃以下，在磁力搅拌的条件下缓慢加入20ml HCl，继续搅拌是温度降至5摄氏度以下，加入1g LiF，搅拌1h；
（3）将过完筛的MAX前驱体分5次、每次间隔12min缓慢加入，加完后自然升温到室温反应30min，随后升温至35℃反应25-28h；
（4）将反应后的产物3500rpm离心5min，重复N次，直至上清液PH到7左右；
（5）收集最后中性或者接近中性的悬浮液，在氩气保护的条件下超声剥离0-1h；
（6）将超声剥离后的悬浮液3500rpm再次离心1h，最后收集离心后的上层悬浮液，得到最终的Mxene纳米片分散液；进过一系列的表征如图1-6所示。
Mxene纳米片具有良好的亲水性，以及优异的导电性，但是其容易氧化的特性阻碍其在很多领域的应用。因此，在本发明中，采用了2次浸渍Mxene的方法，使第一层Mxene作为“牺牲保护层”，最内的第二层作为导电网络的变化层，即，使第一层的Mxene包覆层在空气中缓慢氧化，氧化以后当做最内层的保护层，阻挡最内层Mxene与空气的接触来防止Mxene的氧化。如图7所示，Mxene有着良好的丁达尔胶体的特性，能够很好的分散于水中。
本发明的压阻式传感器的制备方法如下：
（1）将Mxene纳米片分散到水中，制备Mxene纳米片的水分散液，置于氮气氛围中保护；所述的Mxene纳米片分散液浓度为2mg/ml；
（2）将壳聚糖溶于醋酸水溶液中，制备壳聚糖水溶液；所述壳聚糖溶液是将壳聚糖溶于0.4wt%醋酸溶液中得到的，所得的壳聚糖分散液的浓度为0.2wt%；
（3）将清洗干净的聚氨酯泡沫通过真空浸渍的方法浸渍于壳聚糖溶液中，随后取出通过离心脱除的方法将多余的壳聚糖脱除，只留在聚氨酯泡沫骨架上一层壳聚糖，干燥；所述离心脱除为低速离心脱除，离心速度为200rpm；所述的干燥为真空干燥，干燥温度为40℃；
（4）将包覆有壳聚糖的聚氨酯泡沫干燥后通过真空浸渍的方法浸渍于Mxene纳米片的水分散液中，随后取出通过离心脱除的方法将多余的Mxene纳米片脱除，只留在聚氨酯泡沫骨架上一层Mxene纳米片，干燥；所述离心脱除为低速离心脱除，离心速度为200rpm；所述的干燥为真空干燥，干燥温度为40℃；
（5）步骤（3）和（4）重复2次，得到Mxene纳米片包覆聚氨酯泡沫压阻材料；
（6）将步骤（5）所得的Mxene纳米片包覆聚氨酯泡沫压阻材料裁剪成合适尺寸，Mxene/聚氨酯复合泡沫相对的两个表面使用导电银胶粘结铜电极以及导线构成压阻式传感器。
如图8-11所示，聚氨酯泡沫在Mxene包覆前后在扫描电镜的微观观察下，包覆有Mxene纳米片的聚氨酯泡沫骨架的粗糙度比纯聚氨酯泡沫骨架的粗糙度更大，这是显而易见的。并且在包覆由Mxene纳米片的聚氨酯泡沫骨架表面有大量的裂纹结构，并且Mxene纳米片在聚氨酯泡沫上实现了均匀的包覆。在图12-13中，做了5000圈压缩循环测试表征，证明了本发明得到的传感器拥有优良的检测性能和稳定性，并且从图14压缩循环完后的扫描电镜图中可以显而易见的看到，微观结构没有发生破坏。进一步的，将传感器剧烈水洗（600rpm）1h，再次干燥后进行了扫描电镜观察如图15所示，结果表明，水洗1h对于本发明的传感器没有可见的不良影响，这说明本发明的传感器的稳定性是十分优异的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料，其特征在于，所述的Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫是由Mxene纳米片包覆于聚氨酯泡沫上并由壳聚糖作为“粘合剂”而得到的三维复合材料。
2.根据权利要求1所述的Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料的制备方法，其特征在于，该方法通过Mxene纳米片和壳聚糖电性相反的原理，通过静电作用力使Mxene纳米片在聚氨酯骨架之上包覆更为紧密，将Mxene纳米片包覆上去之后，再经离心脱除多余未完全包覆的Mxene纳米片，最后真空干燥制备得到的。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该方法为通过“片层堆叠”的方法，先浸渍一层壳聚糖后浸渍一层Mxene纳米片的方法，经过1-5次的循环浸渍，再将得到的复合三维结构真空干燥处理制备得到的；所述离心脱除为低速离心脱除，离心速度为100-1000rpm，真空干燥的温度为30-60℃。
4.根据权利要求1所述的Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料在制备传感器中的应用，所述传感器为压力传感器，更优选为压阻式压力传感器。
5.一种压阻式传感器，其特征在于，所述的传感器的传感活性部件为权利要求1所述的Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料，Mxene与壳聚糖通过静电作用力紧密结合；所述的聚氨酯泡沫的开孔孔径大小为50-500μm。
6.根据权利要求5所述的压阻式传感器，其特征在于，所述传感器活性部件对应的电阻值能够在传感器所处的压力条件下发生变化时产生相应变化；优选的，在外部应力作用下，所述Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫骨架上的微裂纹、泡孔距离、泡孔孔径均会发生变化。
7.根据权利要求5所述的压阻式传感器，其特征在于，所述的压阻式传感器为柔性可回弹压阻式传感器，还包括柔性聚酰亚胺@铜薄膜电极；优选的，所述的可回弹压阻式传感器是通过以下步骤组装得到的：将聚酰亚胺薄膜清洗干净，使用双面胶将铜箔与聚酰亚胺薄膜粘合，使用导电银胶将铜箔固定在复合泡沫上，并以铜导线引电极，从而得到柔性传感器。
8.根据权利要求5-6中任一项所述的压阻式传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
（1）将Mxene纳米片分散到水中，制备Mxene纳米片的水分散液，置于氮气氛围中保护；
（2）将壳聚糖溶于0.4wt%的醋酸水溶液中，制备壳聚糖水溶液；
（3）将清洗干净的聚氨酯泡沫通过真空浸渍的方法浸渍于壳聚糖溶液中，随后取出通过离心脱除的方法将多余的壳聚糖脱除，只留在聚氨酯泡沫骨架上一层壳聚糖，干燥；
（4）将包覆有壳聚糖的聚氨酯泡沫通过真空浸渍的方法浸渍于Mxene纳米片的水分散液中，随后取出通过离心脱除的方法将多余的Mxene纳米片脱除，只留在聚氨酯泡沫骨架上一层Mxene纳米片，干燥；
（5）步骤（3）和（4）重复1-5次，得到Mxene纳米片包覆聚氨酯泡沫压阻材料，裁剪成合适尺寸，Mxene/聚氨酯复合泡沫相对的两个表面使用导电银胶粘结铜电极以及导线构成压阻式传感器。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的Mxene纳米片分散液浓度为0.1-4mg/ml；步骤（1）所述的Mxene纳米片的片层单边尺寸在0.5-10μm之间，层数在1-10层之间；更优选的，所述的Mxene纳米分散质优选为Ti3C2Tx片层，其单边片层大小在1-2μm之间，层数在1-3层；所述的Mxene纳米片由盐酸和氟化锂选择性刻蚀前驱体MAX相来获得的；所述的前驱体MAX中，M相为过渡金属元素，A为ⅢA或ⅣA元素，X为C或N元素。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述Mxene纳米分散液的浓度是0.1-4mg/ml，更优选Mxene纳米分散液的浓度是2mg/ml；所述壳聚糖溶液是将壳聚糖溶于0.4wt%醋酸溶液中得到的，所得的壳聚糖分散液的浓度优选为0.2wt%；步骤（3）和步骤（4）中，所述离心脱除为低速离心脱除，离心速度为100-1000rpm；所述的干燥为真空干燥，干燥温度为30-60℃。
CN201811425344.1A 2018-11-27 2018-11-27 一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用 Active CN109535476B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811425344.1A CN109535476B (zh) 2018-11-27 2018-11-27 一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811425344.1A CN109535476B (zh) 2018-11-27 2018-11-27 一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109535476A true CN109535476A (zh) 2019-03-29
CN109535476B CN109535476B (zh) 2020-12-11

Family

ID=65851034

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811425344.1A Active CN109535476B (zh) 2018-11-27 2018-11-27 一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109535476B (zh)

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110183655A (zh) * 2019-05-05 2019-08-30 上海应用技术大学 一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法
CN110501095A (zh) * 2019-07-23 2019-11-26 复旦大学 一种基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器
CN110698847A (zh) * 2019-10-21 2020-01-17 西北工业大学 水性聚氨酯-MXene电磁屏蔽仿生纳米复合材料膜及制备方法
CN110726496A (zh) * 2019-10-11 2020-01-24 东华大学 一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法
CN110952308A (zh) * 2019-11-26 2020-04-03 华南理工大学 一种阻燃导电光热响应形状记忆纸及其制备方法与应用
CN111442861A (zh) * 2020-04-14 2020-07-24 华南理工大学 一种可穿戴仿生压阻传感器及其制备方法与应用
CN111533948A (zh) * 2020-04-20 2020-08-14 北京邮电大学 一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法
CN111916917A (zh) * 2020-08-05 2020-11-10 电子科技大学 一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫
CN111982362A (zh) * 2020-08-25 2020-11-24 工科思维技术(深圳)有限公司 一种基于断裂微结构制备的高灵敏度柔性压阻传感器方法
CN111978694A (zh) * 2020-08-14 2020-11-24 华南理工大学 兼具抗拉伸和抗冲击性能聚乳酸复合材料及其制备方法
CN112254851A (zh) * 2020-10-16 2021-01-22 重庆大学 Alk-Ti3C2/PDMS柔性压阻传感器的制备方法
CN112516374A (zh) * 2020-11-30 2021-03-19 华南理工大学 一种止血用壳聚糖/Mxene抗菌复合海绵及其制备方法
CN113772619A (zh) * 2020-06-10 2021-12-10 宝山钢铁股份有限公司 一种微孔通道膜及其制备方法
CN114486013A (zh) * 2022-02-14 2022-05-13 东南大学 一种基于电容-电阻转换原理的压力传感器及其制备方法
CN114953629A (zh) * 2022-04-20 2022-08-30 江西鑫远基电子科技有限公司 一种高散热铝基覆铜板及其生产工艺
CN115028887A (zh) * 2022-06-20 2022-09-09 中国石油大学(华东) 基于二维碳化钛/聚苯胺的柔性压阻式压力传感器及其制备方法和电子皮肤传感应用
CN116294958A (zh) * 2023-03-10 2023-06-23 香港中文大学（深圳） 具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106328890A (zh) * 2016-08-26 2017-01-11 浙江工业大学 一种碳柱撑MXene复合材料及其应用
CN108168420A (zh) * 2017-12-26 2018-06-15 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种基于MXene材料的柔性应变传感器
CN108258222A (zh) * 2018-01-17 2018-07-06 山东大学 一种MXene/硫化锂/碳复合正极材料及其制备方法
CN108489644A (zh) * 2018-02-12 2018-09-04 华中科技大学 基于MXene/rGO复合三维结构的高灵敏传感器
CN108807003A (zh) * 2018-05-18 2018-11-13 重庆化工职业学院 一种MnO2/Ti3C2TxMxene柔性超级电容器电极材料的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106328890A (zh) * 2016-08-26 2017-01-11 浙江工业大学 一种碳柱撑MXene复合材料及其应用
CN108168420A (zh) * 2017-12-26 2018-06-15 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种基于MXene材料的柔性应变传感器
CN108258222A (zh) * 2018-01-17 2018-07-06 山东大学 一种MXene/硫化锂/碳复合正极材料及其制备方法
CN108489644A (zh) * 2018-02-12 2018-09-04 华中科技大学 基于MXene/rGO复合三维结构的高灵敏传感器
CN108807003A (zh) * 2018-05-18 2018-11-13 重庆化工职业学院 一种MnO2/Ti3C2TxMxene柔性超级电容器电极材料的制备方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAODONG WU ET AL.: "Large-Area Compliant, Low-Cost, and Versatile Pressure-Sensing Platform Based on Microcrack-Designed Carbon Black@Polyurethane Sponge for Human-Machine Interfacing", 《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》 *
YANG YUE ET AL.: "3D hybrid porous Mxene-sponge network and its application in piezoresistive sensor", 《NANO ENERGY 》 *
张建峰等: "新型二维材料MXene的研究进展", 《无机材料学报》 *
郑凯强: "两种柔性电子器件的制备与应用", 《万方学位论文数据库》 *
郑凯强: "两种柔性电子器件的制备与应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110183655A (zh) * 2019-05-05 2019-08-30 上海应用技术大学 一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法
CN110183655B (zh) * 2019-05-05 2021-07-20 上海应用技术大学 一种二维碳化物晶体基聚酰亚胺有机正极材料的制备方法
CN110501095A (zh) * 2019-07-23 2019-11-26 复旦大学 一种基于荷叶微棘突/MXene复合结构的仿生柔性压力传感器
CN110726496A (zh) * 2019-10-11 2020-01-24 东华大学 一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法
CN110698847A (zh) * 2019-10-21 2020-01-17 西北工业大学 水性聚氨酯-MXene电磁屏蔽仿生纳米复合材料膜及制备方法
CN110952308A (zh) * 2019-11-26 2020-04-03 华南理工大学 一种阻燃导电光热响应形状记忆纸及其制备方法与应用
CN111442861A (zh) * 2020-04-14 2020-07-24 华南理工大学 一种可穿戴仿生压阻传感器及其制备方法与应用
CN111533948A (zh) * 2020-04-20 2020-08-14 北京邮电大学 一种温和条件下利用有机分子导体制备多孔三维有机力学传感元件的方法
CN113772619B (zh) * 2020-06-10 2023-07-11 宝山钢铁股份有限公司 一种微孔通道膜及其制备方法
CN113772619A (zh) * 2020-06-10 2021-12-10 宝山钢铁股份有限公司 一种微孔通道膜及其制备方法
CN111916917A (zh) * 2020-08-05 2020-11-10 电子科技大学 一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫
CN111916917B (zh) * 2020-08-05 2023-09-05 电子科技大学 一种基于MXene的太赫兹波宽带超强吸收泡沫
CN111978694B (zh) * 2020-08-14 2021-06-08 华南理工大学 兼具抗拉伸和抗冲击性能聚乳酸复合材料及其制备方法
CN111978694A (zh) * 2020-08-14 2020-11-24 华南理工大学 兼具抗拉伸和抗冲击性能聚乳酸复合材料及其制备方法
CN111982362A (zh) * 2020-08-25 2020-11-24 工科思维技术(深圳)有限公司 一种基于断裂微结构制备的高灵敏度柔性压阻传感器方法
CN112254851A (zh) * 2020-10-16 2021-01-22 重庆大学 Alk-Ti3C2/PDMS柔性压阻传感器的制备方法
CN112254851B (zh) * 2020-10-16 2022-04-22 重庆大学 Alk-Ti3C2/PDMS柔性压阻传感器的制备方法
CN112516374A (zh) * 2020-11-30 2021-03-19 华南理工大学 一种止血用壳聚糖/Mxene抗菌复合海绵及其制备方法
CN112516374B (zh) * 2020-11-30 2022-03-29 华南理工大学 一种止血用壳聚糖/Mxene抗菌复合海绵及其制备方法
CN114486013A (zh) * 2022-02-14 2022-05-13 东南大学 一种基于电容-电阻转换原理的压力传感器及其制备方法
CN114953629A (zh) * 2022-04-20 2022-08-30 江西鑫远基电子科技有限公司 一种高散热铝基覆铜板及其生产工艺
CN115028887A (zh) * 2022-06-20 2022-09-09 中国石油大学(华东) 基于二维碳化钛/聚苯胺的柔性压阻式压力传感器及其制备方法和电子皮肤传感应用
CN115028887B (zh) * 2022-06-20 2023-09-12 中国石油大学(华东) 基于二维碳化钛/聚苯胺的柔性压阻式压力传感器及其制备方法和电子皮肤传感应用
CN116294958A (zh) * 2023-03-10 2023-06-23 香港中文大学（深圳） 具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法
CN116294958B (zh) * 2023-03-10 2023-12-15 香港中文大学（深圳） 具有褶皱结构、各向异性的柔性应变传感器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109535476B (zh) 2020-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109535476A (zh) 一种Mxene@壳聚糖@聚氨酯泡沫三维复合材料及其制备方法和应用
CN110375894A (zh) 一种MXene@CS@PDMS三维多孔复合材料及其制备方法和应用
CN109576905B (zh) 一种基于MXene的柔性聚氨酯纤维膜应变传感器
Ma et al. Multiresponsive MXene (Ti3C2T x)-decorated textiles for wearable thermal management and human motion monitoring
CN110387061A (zh) 一种中空结构的MXene-PDMS复合泡沫及其制备方法和应用
CN109520646B (zh) 基于三维多孔微结构复合介质层的高灵敏度电容式柔性触觉传感器及其制作方法
CN105800605B (zh) 一种氧化石墨烯/石墨烯双层压阻薄膜及制备方法
Li et al. Wearable, washable, and highly sensitive piezoresistive pressure sensor based on a 3D sponge network for real-time monitoring human body activities
CN105387957B (zh) 基于印刷透明电极的可拉伸压力传感器及其制备方法
US20160358849A1 (en) Flexible Interconnects, Systems, And Uses Thereof
CN108489644A (zh) 基于MXene/rGO复合三维结构的高灵敏传感器
Zhao et al. Spider web-like flexible tactile sensor for pressure-strain simultaneous detection
Pan et al. Recent progress in development of wearable pressure sensors derived from biological materials
Zang et al. Unprecedented sensitivity towards pressure enabled by graphene foam
CN103616097A (zh) 一种柔性薄膜触觉传感器件及其制作方法
CN110686589B (zh) 高灵敏度大应变柔性应变传感器及其制备方法
Sun et al. High-sensitivity tactile sensor based on Ti2C-PDMS sponge for wireless human–computer interaction
CN108328595A (zh) 一种碳气凝胶及其制备方法和压力传感器
CN114214833A (zh) 基于银纳米线/石墨烯的柔性导电织物传感器的制备方法
CN107504893A (zh) 高灵敏度网状石墨烯/弹性体应变传感器及其制备方法
He et al. Review on improvement, modeling, and application of ionic polymer metal composite artificial muscle
CN113203505A (zh) 一种基于低维纳米复合材料的压力/应变双模态传感器及其制备方法
CN107474293A (zh) 一种摩擦力敏感的复合柔性电阻膜及其制备方法以及摩擦力传感器
CN113249961A (zh) 基于导电纤维网络的柔性器件结构及其制备方法与应用
CN110763379A (zh) 石墨烯导电弹性体及其制备方法以及传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant