CN115290230A - 一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法 Download PDF

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CN115290230A CN202210780926.1A CN202210780926A CN115290230A CN 115290230 A CN115290230 A CN 115290230A CN 202210780926 A CN202210780926 A CN 202210780926A CN 115290230 A CN115290230 A CN 115290230A
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王宗乾
王鹏
李长龙
聂文琪
胡侨乐
程绿竹
赵越
周义婷
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Abstract

本发明公开了一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法，通过筛网印花的方法在织物表面构建MXene基叉指电基层，并通过层层组装的方法制备MXene基压敏/湿敏层，并通过绝缘织物超声波粘合制备全织物基压力/湿度传感器；由于在织物基底表面构建的MXene基叉指电极将赋予电极层和传感层较高的接触面积，以及传感层中采用的一维纳米材料和二维纳米材料的桥接作用，将赋予传感层织物优异的导电性，因此，制备的器件具有优异的压力传感性能和湿度传感性能；此外，通过开关自由切换湿度传感和压力传感，并且在智能可穿戴领域具有较大的应用前景。

Description

一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及智能可穿戴纺织品技术领域，具体是一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，柔性智能可穿戴电子器件由于其在人机界面、无线通讯、电子皮肤、健康监护、能量收集和存储等领域的潜在应用而引起广泛关注。其中，织物基压力/湿度传感器可以将人体的各种生理信号转化为电信号输出，同时具有织物典型的柔软、透气透湿、易穿戴和洗涤的固有特征，因此，设计和开发织物基压力/湿度传感器件已成为当前的主流研究方向，并将成为将来的一大发展趋势。
织物基压力传感器根据其传感机制可以分为压阻式、压电式、摩擦电式、电容式，相比于其他传感机制，压阻式传感器由于其具有检测区间广、信号漂移小、循环寿命长、性能稳定、加工成本低等优势，被认为是下一代理想的压力传感器(Ruth S R A,Feig V R,Tran H,et al.Microengineering pressure sensor active layers for improvedperformance[J].Advanced Functional Materials,2020,30(39)：2003491.)。压力传感器的结构主要由柔性基底、电极层和传感层构成。传统的将电子器件嵌入到织物内部以制备压力传感器或湿度传感器通常会造成舒适性差、耐洗性差和结合牢度低等问题(KomolafeA,Torah R,Wei Y,et al.Integrating flexible filament circuits for e-textileapplications[J].Advanced Materials Technologies,2019,4(7)：1900176)。通过涂层或者印刷的方法将金属纳米材料、导电高分子、碳纳米材料等活性材料附着在纺织品表面，以制备传感器的电极层和传感层是目前常用的制备方法，并展现出一系列应用优势。MXene作为一类新兴的二维层状纳米材料，具有优异的分散性、高导电性、易加工性等优点，在能源，催化，生物等领域展现出广泛的应用潜力，因此，结合MXene和金属纳米线的优势，将其作为活性材料制备全织物基压力/湿度传感器，有望实现传感器的高灵敏度，快速响应/恢复，宽检测区间。目前，虽然在织物基压力/湿度传感器领域的相关研究取得一定进展，但是已有报道的器件导电性差、灵敏度低、检测区间窄、响应恢复时间长、器件的功能单一等问题(Zhang J,Zhang Y,Li Y,et al.Textile-based flexible pressure sensors：A review[J].Polymer Reviews,2022,62(1)：65-94.)，在一定程度上限制了其商业应用；因此，针对上述问题提出一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决上述至少一个问题，本发明提出的一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法。
一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：筛网印花制备织物叉指电极层；
步骤S2：层层组装制备织物压阻层/湿敏层；
步骤S3：叉指电极层和压阻层/湿敏层复合制备织物压力/湿度传感器。
优选的，所述步骤S1中，所述电极层的活性材料包括但不限于MXene、碳纳米管、石墨烯、炭黑、乙炔黑、聚吡咯、聚3，4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺、银胶、银纳米线、铜纳米线、金纳米线及其复合物；电极层的基底材料包括但不限于基织物、针织物、非织造布等。
优选的，所述步骤S1中，活性材料油墨为50-300mg/mL的MXene及其他导电材料的复合物，步骤S1中所述的筛网目数为50-300目，筛网电极宽度为0.2-4mm，电极长度为0.3-10cm。
优选的，所述步骤S2中，所述的MXene分散液的浓度为1-50mg/mL，银纳米线的浓度为0.5-20mg/mL。
优选的，所述步骤S3中，采用超声波粘合法将叉指电极层、压敏/湿敏层和封装层进行层合制备全织物基压力/湿度传感器。
优选的，所述步骤S3中，超声波粘合的频率为2-200kHz，粘合时间为0.1-50分钟。
一种全织物基压力和湿度传感器，包括传感器，且所述传感器用于制作智能床垫、智能键盘、智能口罩等纺织品。
本发明的有益之处在于：
本发明通过筛网印花的方法在织物表面反复刮涂形成高导电MXene基薄膜以制备MXene基叉指电极，其高导电性将会提升压力传感响应电流，并且采用层层组装技术制备的MXene/银纳米线压阻层将会具有独特的仿生微纳形貌结构，在压力传感过程中将会有更大的接触面积以增加压力传感灵敏度。此外，由于织物典型的多尺度结构特征，将会赋予压力传感器件比表面微结构压力传感器更宽的检测区间，比多孔结构压力传感器更高的灵敏度。此外，由于MXene/银纳米线压阻层较高的电导率和MXene湿敏特性，可以通过改变器件的连接方式，将其直接作为湿度传感器，实现压力和湿度的实时动态检测。
本发明提供的一种全织物基压力和湿度传感器可以实现多种应用，可以用于智能睡眠床垫、智能鞋垫、智能键盘、语言识别、哮喘监测等领域。
本发明基于筛网印花技术和层层组装喷涂技术，构筑MXene基织物叉指电极和仿生微纳结构MXene基织物压阻层(湿敏层)，开发出一种全织物基压力/湿度传感器，其具有如下优势：
1)技术推广性强。本发明所采用的基底材料可以为棉织物，麻织物，毛织物，丝织物，化纤织物，混纺织物等，织物结构可以为针织物、机织物、非织物等；筛网印花所用的墨水可以是MXene、碳纳米管、石墨烯、炭黑、乙炔黑、聚吡咯、聚3，4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺、银胶、银纳米线、铜纳米线、金纳米线其中的一种或多种复合物。
2)通过筛网印花技术可以在织物表面构筑均匀的MXene/金属纳米线复合导电网络，制备的叉指电极的电导率可以通过调整刮涂次数进行调整，电导率可调可控，并且不会恶化织物基底的透气透湿性和柔韧性。
3)织物感应层通过层层组装负载MXene和银纳米线，在MXene和银纳米线之间建立离子间交联，可以提高活性材料与织物基底的结合牢度，并提升其耐洗牢度；此外，MXene和银纳米线作为典型的二维和一维纳米材料，将会在提升感应层的导电性发挥协同作用，赋予感应层较高的电导率。
4)层层组装工艺简单，组装过程中MXene和银纳米线的负载量可调可控，其负载量可以通过调控层层组装循环次数和活性材料浓度调节。
5)制备的传感器具有较好的透气透湿性、柔韧性和人体共形性。
6)传感器结构简单，通过电极层、感应层和封装层织物层合制备三明治结构传感器。传感器性能优异，具有较高的灵敏度、检测区间和响应恢复速率。
7)制备的传感器具有多种功能，可以实现压力传感和湿度传感自由切换监测。
8)制备的传感器应用领域广泛。可以用于智能睡眠床垫、智能鞋垫、智能键盘、语言识别、哮喘监测等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明全织物基压力/湿度传感器结构示意图及其实物图；
图2为实施例电极层电导率；
图3为实施例传感层电导率；
图4为实施例1和对比例1-5传感层电导率对比图；
图5为实施例1和对比例1-5传感层水洗前后电导率对比图；
图6为实施例1和对比例1湿度传感曲线；
图7为实施例1和对比例1-2压力传感曲线
图8为实施例1在50-503Pa压力下电流响应曲线；
图9为实施例1-3压力传感曲线；
图10为实施例1在1.25kPa压力下的响应/恢复时间；
图11为实施例1压力传感循环稳定性；
图12为实施例1作为柔性开关应用；
图13为实施例1对轻质量谷物电流响应；
图14为实施例1作为智能鼠标按键应用；
图15为实施例1对于手指按压的电流响应；
图16为实施例1作为脉搏检测器应用；
图17为实施例1的湿度传感曲线；
图18为实施例1作为湿度传感器对字母识别应用；
图19为实施例1作为湿度传感器对呼吸检测应用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种全织物基压力和湿度传感器及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：筛网印花制备织物叉指电极层；
步骤S2：层层组装制备织物压阻层/湿敏层；
步骤S3：叉指电极层和压阻层/湿敏层复合制备织物压力/湿度传感器。
作为本发明的一种实施方式，所述步骤S1中，所述电极层的活性材料包括但不限于MXene、碳纳米管、石墨烯、炭黑、乙炔黑、聚吡咯、聚3，4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺、银胶、银纳米线、铜纳米线、金纳米线及其复合物；电极层的基底材料包括但不限于基织物、针织物、非织造布等。
作为本发明的一种实施方式，所述步骤S1中，活性材料油墨为50-300mg/mL的MXene及其他导电材料的复合物，步骤S1中所述的筛网目数为50-300目，筛网电极宽度为0.2-4mm，电极长度为0.3-10cm，步骤S1中所述的叉指电极可以为矩形或者环形；
进一步的，将织物基底固定在筛网底部，将MXene/银纳米线墨水倒到网版上，用刮板将MXene刮涂到织物表面，反复刮涂2-20次，刮完之后将织物于50-80℃烘干5-30分钟，获得MXene基叉指电基层；
进一步的，将织物以0.1-20cN的预加张力固定在筛网底部，将浓度为50-300mg/mL的MXene墨水倒至筛网表面，以0.05-3cm/s的速度将MXene刮涂到织物表面，刮涂反复进行2-20次，取出后50-80℃烘干5-30分钟，进而获得MXene基叉指电极；
作为本发明的一种实施方式，所述步骤S2中，所述的MXene分散液的浓度为1-50mg/mL，银纳米线的浓度为0.5-20mg/mL；所述的MXene片层横向宽度为0.1-10μm，厚度为2-50nm；所述的银纳米线的直径为10-50nm，长度为10-50μm；所述的MXene的百分含量是1％-80％，银纳米线的百分含量是1％-20％。
进一步的，织物压阻层和湿敏层采用层层组装的方法进行制备，首先将织物通过丙酮进行清洗5-30分钟，将清洗后的织物在50-80℃烘干5-30分钟；将烘干后的织物采用浓度为5-50mg/mL的聚多巴胺浸渍1-10分钟，50-80℃烘干后均匀喷涂1-50mg/mL MXene分散液，并在50-80℃烘干5-30分钟；随后将MXene改性的织物在浓度为5-50mg/mL的聚多巴胺浸渍1-10分钟，50-80℃烘干后均匀喷涂0.5-20mg/mL的银纳米线，并在50-80℃烘干5-30分钟；MXene/银纳米线层层组装循环次为1-30次，最终得到MXene/银纳米线压阻层和湿敏层；其中压阻层可以为1-10层；步骤S1中，所述的绝缘织物封装层包括但不限于棉无纺布、黏胶无纺布、聚酯无纺布、蚕丝无纺布、麻无纺布、棉针织物、棉机织物、黏胶机织物、黏胶针织物、聚酯机织物、聚酯针织物等。
作为本发明的一种实施方式，所述步骤S3中，采用超声波粘合法将叉指电极层、压敏/湿敏层和封装层进行层合制备全织物基压力/湿度传感器；
作为本发明的一种实施方式，所述步骤S3中，超声波粘合的频率为2-200kHz，粘合时间为0.1-50分钟。
一种全织物基压力和湿度传感器，包括传感器，且所述传感器用于制作智能床垫、智能键盘、智能口罩等纺织品。
下面给出具体的实施例：
实施例1
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：织物筛网印花沉积MXene基叉指电极：首先通过原位刻蚀法制备质量分数为20％的少层MXene胶体墨水，并将面密度为100g/m2的黏胶非织造布以20cN的预加张力固定在筛网底部，其中筛网的目数为60目，筛网表面的花纹的长度和宽度分别为30mm和13mm；将5g质量分数为20％的胶体墨水倒至筛网表面，其中MXene百分含量为15％，银纳米线的百分含量为5％，以2cm/s的速度用刮刀将MXene胶体刮涂至织物基底表面，反复刮涂5-10次，直至MXene胶体全部附着在黏胶非织造布表面，形成长度为30mm，宽度为13mm的MXene基叉指电极。
步骤S2：层层组装制备MXene/银纳米线传感层：首先将黏胶非织造布在丙酮中水浴震荡清洗10分钟，以清除织物表面的杂质颗粒以及油污等；将5g清洗烘干后的黏胶非织造布按照1：10的浴比放置到500mL包含0.6g三羟甲基氨基甲烷盐酸盐和1.0g多巴胺溶液，室温25℃聚合1小时，水洗后在40℃干燥10分钟，制备聚多巴胺改性黏胶非织造布；将10mg/mL的MXene分散液喷涂在聚多巴胺改性织物的表面，并在60℃干燥10分钟，随后重复上述聚合多巴胺步骤，在MXene改性织物表面进一步沉积聚多巴胺以提高织物的正电性并提高对银纳米线的吸附；将10mg/mL的银纳米线分散液喷涂到上述织物表面，并在40℃干燥10分钟。重复上述层层组装循环步骤10次，制备MXene/银纳米线复合传感层。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器：将上述步骤1和步骤2分别制备的MXene基叉指电极和MXene基传感层，以及黏胶非织造布通过超声波粘合技术进行封装，其中超声波的频率为20kHz，超声粘合5分钟，即可制得压力/湿度传感器。
实施例2
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：织物筛网印花沉积MXene/银纳米线叉指电极：首先通过原位刻蚀法制备质量分数为20％的少层MXene胶体墨水，并将面密度为100g/m2的黏胶非织造布以20cN的预加张力固定在筛网底部，其中筛网的目数为60目，筛网表面的花纹的长度和宽度分别为30mm和13mm；将MXene和银纳米线按照9：1的质量比进行混合，500W探头超声分散5分钟，制得浓度为100mg/mL的MXene/银纳米线胶体墨水(其中MXene的相对百分含量为90％，银纳米线的相对百分含量为10％)，并将制得的5g溶液倒至筛网表面，以2cm/s的速度用刮刀将MXene/银纳米线胶体墨水刮涂至织物基底表面，反复刮涂5-10次，直至MXene/银纳米线胶体墨水全部附着在黏胶非织造布表面，形成长度为30mm，宽度为13mm的MXene叉指电极。
步骤S2：层层组装制备MXene/银纳米线传感层：首先将黏胶非织造布在丙酮中水浴震荡清洗10分钟，以清除织物表面的杂质颗粒以及油污等；将5g清洗烘干后的黏胶非织造布按照1：10的浴比放置到500mL包含0.6g三羟甲基氨基甲烷盐酸盐和1.0g多巴胺溶液，室温25℃聚合1小时，水洗后在40℃干燥10分钟，制备聚多巴胺改性黏胶非织造布；将10mg/mL的MXene分散液喷涂在聚多巴胺改性织物的表面，并在60℃干燥10分钟，随后重复上述聚合多巴胺步骤，在MXene改性织物表面进一步沉积聚多巴胺以提高织物的正电性并提高对银纳米线的吸附；将10mg/mL的银纳米线分散液喷涂到上述织物表面，并在40℃干燥10分钟。重复上述层层组装循环步骤1-20次，制备MXene/银纳米线复合传感层。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器：将上述步骤1和步骤2分别制备的MXene基叉指电极和MXene基传感层，以及黏胶非织造布通过超声波粘合技术进行封装，其中超声波的频率为20kHz，超声粘合5分钟，即可制得压力/湿度传感器。
实施例3
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：织物筛网印花沉积MXene叉指电极：首先通过原位刻蚀法制备质量分数为20％的少层MXene胶体墨水，并将面密度为100g/m2的黏胶非织造布以20cN的预加张力固定在筛网底部。其中筛网的目数为60目，筛网表面的花纹的长度和宽度分别为30mm和13mm；将5g质量分数为20％的MXene胶体倒至筛网表面，以2cm/s的速度用刮刀将MXene胶体刮涂至织物基底表面，反复刮涂5-10次，直至MXene胶体全部附着在黏胶非织造布表面，形成长度为30mm，宽度为13mm的MXene叉指电极
步骤S2：层层组装制备MXene/PEDOT传感层：首先将黏胶非织造布在丙酮中水浴震荡清洗10分钟，以清除织物表面的杂质颗粒以及油污等；将5g清洗烘干后的黏胶非织造布按照1：10的浴比放置到500mL包含0.6g三羟甲基氨基甲烷盐酸盐和1.0g多巴胺溶液，室温25℃聚合1小时，水洗后在40℃干燥10分钟，制备聚多巴胺改性黏胶非织造布；将10mg/mL的MXene分散液喷涂在聚多巴胺改性织物的表面，并在60℃干燥10分钟；随后将MXene改性后的织物浸轧20％对甲苯磺酸铁丁醇溶液，60℃干燥10分钟后放置于包含有20mL 3,4-乙烯二氧噻吩单体的气相聚合反应室中，于60℃聚合反应1小时，制得MXene/PEDOT改性非织造布；重复上述层层组装循环10次，制得MXene/PEDOT复合传感层。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器：将上述步骤1和步骤2分别制备的MXene基叉指电极和MXene基传感层，以及黏胶非织造布通过超声波粘合技术进行封装，其中超声波的频率为20kHz，超声粘合5分钟，即可制得压力/湿度传感器。
实施例4
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：织物筛网印花沉积MXene/银纳米线叉指电极：首先通过原位刻蚀法制备质量分数为20％的少层MXene胶体墨水，并将面密度为100g/m2的黏胶非织造布以20cN的预加张力固定在筛网底部。其中筛网的目数为60目，筛网表面的花纹的长度和宽度分别为30mm和13mm；将MXene和银纳米线按照10：1的质量比进行混合，500W探头超声分散5分钟，制得浓度为100mg/mL的MXene/银纳米线胶体墨水(其中MXene的相对百分含量为90％，银纳米线的相对百分含量为10％)，并将制得的5g溶液倒至筛网表面，以2cm/s的速度用刮刀将MXene/银纳米线胶体墨水刮涂至织物基底表面，反复刮涂5-10次，直至MXene/银纳米线胶体墨水全部附着在黏胶非织造布表面，形成长度为30mm，宽度为13mm的MXene叉指电极。
步骤S2：层层组装制备MXene/PEDOT传感层：首先将黏胶非织造布在丙酮中水浴震荡清洗10分钟，以清除织物表面的杂质颗粒以及油污等；将5g清洗烘干后的黏胶非织造布按照1：10的浴比放置到500mL包含0.6g三羟甲基氨基甲烷盐酸盐和1.0g多巴胺溶液，室温25℃聚合1小时，水洗后在40℃干燥10分钟，制备聚多巴胺改性黏胶非织造布；将10mg/mL的MXene分散液喷涂在聚多巴胺改性织物的表面，并在60℃干燥10分钟；随后将MXene改性后的织物浸轧20％对甲苯磺酸铁丁醇溶液，60℃干燥10分钟后放置于包含有20mL 3,4-乙烯二氧噻吩单体的气相聚合反应室中，于60℃聚合反应1小时，制得MXene/PEDOT改性非织造布；重复上述层层组装循环10次，制得MXene/PEDOT复合传感层。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器：将上述步骤1和步骤2分别制备的MXene基叉指电极和MXene基传感层，以及黏胶非织造布通过超声波粘合技术进行封装，其中超声波的频率为20kHz，超声粘合5分钟，即可制得压力/湿度传感器。
实施例5
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：织物筛网印花沉积MXene/碳纳米管叉指电极：首先通过原位刻蚀法制备质量分数为20％的少层MXene胶体墨水，并将面密度为100g/m2的黏胶非织造布以20cN的预加张力固定在筛网底部。其中筛网的目数为60目，筛网表面的花纹的长度和宽度分别为30mm和13mm；将MXene和碳纳米管按照10：1的质量比进行混合，500W探头超声分散5分钟，制得浓度为100mg/mL的MXene/碳纳米管胶体墨水(其中MXene的相对百分含量为90％，碳纳米管的相对百分含量为10％)，并将制得的5g溶液倒至筛网表面，以2cm/s的速度用刮刀将MXene/碳纳米管胶体墨水刮涂至织物基底表面，反复刮涂5-10次，直至MXene/碳纳米管胶体墨水全部附着在黏胶非织造布表面，形成长度为30mm，宽度为13mm的MXene叉指电极。
步骤S2：层层组装制备MXene/银纳米线传感层：首先将黏胶非织造布在丙酮中水浴震荡清洗10分钟，以清除织物表面的杂质颗粒以及油污等；将5g清洗烘干后的黏胶非织造布按照1：10的浴比放置到500mL包含0.6g三羟甲基氨基甲烷盐酸盐和1.0g多巴胺溶液，室温25℃聚合1小时，水洗后在40℃干燥10分钟，制备聚多巴胺改性黏胶非织造布；将10mg/mL的MXene分散液喷涂在聚多巴胺改性织物的表面，并在60℃干燥10分钟，随后重复上述聚合多巴胺步骤，在MXene改性织物表面进一步沉积聚多巴胺以提高织物的正电性并提高对银纳米线的吸附；将10mg/mL的银纳米线分散液喷涂到上述织物表面，并在40℃干燥10分钟。重复上述层层组装循环步骤1-20次，制备MXene/银纳米线复合传感层。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器：将上述步骤1和步骤2分别制备的MXene基叉指电极和MXene基传感层，以及黏胶非织造布通过超声波粘合技术进行封装，其中超声波的频率为20kHz，超声粘合5分钟，即可制得压力/湿度传感器。
对比例1
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：织物筛网印花沉积MXene叉指电极，具体方法与实施例1相同。
步骤S2：银纳米线传感层制备，具体方法和实施例1相同，只是在传感层制备过程仅采用银纳米线作为活性材料，并且制备过程中不对织物进行聚多巴胺处理。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器，具体方法和实施例1相同。
对比例2
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：采用商用金/聚酰亚胺薄膜叉指电极作为电极层。
步骤S2：喷涂法制备MXene/银纳米线传感层，具体方法和实施例1相同，只是在传感层制备过程中不对织物进行聚多巴胺处理。
步骤S3：叉指电极与传感层封装制备压力/湿度传感器，具体方法和实施例1相同。
对比例3
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法与实施例1相同，只是步骤S2中采用溶液浸渍法制备MXene/银纳米线传感层。
对比例4
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法与实施例1相同，只是将步骤S2中采用MXene和碳纳米管作为活性材料进行喷涂制备传感层。
对比例5
一种全织物基压力/湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法与实施例1相同，只是将步骤S2中采用MXene和PEDOT作为活性材料进行喷涂制备传感层。
本专利制备的全织物基压力/湿度传感器主要由3层结构构成，如图1所示，主要包括通过筛网印花工艺在织物基底上制备的MXene基叉指电极层，通过层层组装制备的MXene基湿敏/压敏传感层和绝缘织物构成的柔性封装层。
将实施例1-5制备的电极层进行电导率测试，结果如图2所示，由图2可知，实施例1具有最高的电极层电导率，其电导率可高达5200±20S/m，其优异的导电性主要归因于高银纳米线百分含量以及MXene与银纳米线之间的协同作用；将实施例1-5和对比例1-5制备的织物压敏/湿敏层电导率进行测试，其电导率如图3和如图4所示；从图3-图4可知，实施例1的电导率最高，并且要高于其他对比例，这主要归因于MXene和银纳米线之间的协同作用，并且实施例所采用的层层组装的方法将会在MXene纳米片和一维纳米线材料建立强烈的静电引力作用，将会使得织物表面形成的导电材料负载更加均匀，所形成的导电网络更加连续，因此实施例1的传感层电导率普遍高于对比例中的喷涂法制备的传感电极。
将实施例1-5和对比例1-5制备的织物压敏/湿敏层织物进行水洗，对比水洗前后织物方电导率；水洗方法参照AATCC 61-2007所述方法对织物进行洗涤，考察其耐水洗性能。电导率测试结果如果5所示；从图5可以看出，实施例1-5在经过20次水洗之后织物电导率基本保持不变，这主要是由于压敏/湿敏层在织物过程中所采用的层层组装的方法在活性材料和织物基底之间、活性材料之间建立稳定的离子键和静电引力作用，赋予活性材料较好的结合牢度，而对比例1-5在经过同样洗涤之后电导率巨幅降低，这主要是由于活性材料和织物基底之间仅通过范德华力连接，导致活性材料的结合牢度较低。
实施例1和对比例1制备的织物基压力/湿度传感器的湿度传感曲线如图6所示，从图6可以看出，实施例1所制备的在0-100％的相对湿度范围内，其电阻相对变化率高达35％，展现出较好的湿度传感特性，而对比例1的相对电阻变化率基本为零。这主要是由于实施例1中的湿敏层中的MXene利用高比表面积和表面丰富的官能团吸湿而引起MXene晶面间距的变化而引起电阻变化，而对比例1中的银纳米线基本不含有吸湿性官能团，导致其不具有湿度传感特性。
对实施例1-3的压力传感性能进行测试，其压力传感曲线如图7所示，由图可知，实施例1具有最大的灵敏度，其可高达770.86kpa-1，线性度在0.95以上，并且其具有最宽的检测区间(0-100kPa)，其优异的压力传感性能主要归因于MXene/银纳米线叉指电基层和传感层的高电导率及其对于压力传感性能提升的协同作用。由图8可知，实施例1具有比对比例1和对比例2更高的灵敏度和检测区间，其优异的压力传感性能主要归因于实施例1所采用的筛网印花制备的MXene基叉指电极材料表面粗糙，相对于商用金/聚酰亚胺薄膜叉指电极具有更高的接触面积，可以有效增加压力传感过程中织物的接触面积并提升器件的压力传感性能。
从图9可以看出，实施例1具有超高的灵敏度，其对于50Pa、101Pa、352Pa、和503Pa等小压力具有较好的线性响应。从图10可知，实施例1具有较快的响应和恢复速率(70ms/81ms)，并且在800次循环往复加载之后仍然具有较好的稳定性(图11)。本专利制备的压力传感器可以作为柔性开关(图12)，并且对于低至20mg的大米具有较好的电流响应(图13)，展现出较高的灵敏度。此外，本专利制备的压力传感器可以用于智能可穿戴领域，例如，其可以监测人体对于鼠标的使用习惯(图14)，可以作为智能键盘监测手指压力及账号保护(图15)，甚至可以作为脉搏监测(图16)，对人体生命健康进行监测。
从图17可以看出，本专利制备的全织物基压力/湿度传感器还具有较好的湿度传感性能，在0-100％的相对湿度范围内，其电阻相对变化率高达35％，展现出较好的湿度传感特性，并且可以作为智能口罩，用于语言识别(图18)和呼吸检测(图19)，并且展现出非频率相关特性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种全织物基压力和湿度传感器的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：筛网印花制备织物叉指电极层；
步骤S2：层层组装制备织物压阻层/湿敏层；
步骤S3：叉指电极层和压阻层/湿敏层复合制备织物压力/湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种全织物基压力和湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述电极层的活性材料包括但不限于MXene、碳纳米管、石墨烯、炭黑、乙炔黑、聚吡咯、聚3，4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺、银胶、银纳米线、铜纳米线、金纳米线及其复合物；电极层的基底材料包括但不限于基织物、针织物、非织造布等。
3.根据权利要求2所述的一种全织物基压力和湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，活性材料油墨为50-300mg/mL的MXene及其他导电材料的复合物，步骤S1中所述的筛网目数为50-300目，筛网电极宽度为0.2-4mm，电极长度为0.3-10cm。
4.根据权利要求3所述的一种全织物基压力和湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述的MXene分散液的浓度为1-50mg/mL，银纳米线的浓度为0.5-20mg/mL。
5.根据权利要求4所述的一种全织物基压力和湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，采用超声波粘合法将叉指电极层、压敏/湿敏层和封装层进行层合制备全织物基压力/湿度传感器。
6.根据权利要求5所述的一种全织物基压力和湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，超声波粘合的频率为2-200kHz，粘合时间为0.1-50分钟。
7.一种全织物基压力和湿度传感器，利用权利要求1-6任一所述制备方法制备，其特征在于：包括传感器，且所述传感器用于制作智能床垫、智能键盘、智能口罩等纺织品。
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