阅读说明：本技术 一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法 (MXene coated textile force-sensitive sensor and preparation method thereof ) 是由 侯成义 刘芮 李耀刚 王宏志 张青红 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法,包括柔性基底层和响应传输层；其中,所述响应传输层的材料为MXene。本发明在不同的外界压力下能够迅速表现出相应的电流响应；制备方法简单,力敏响应器件灵敏度高、成本低、强度高,且具有较好的柔性,在可穿戴智能服装领域具有非常广阔的应用前景。(The invention relates to an MXene coated textile force-sensitive sensor and a preparation method thereof, wherein the force-sensitive sensor comprises a flexible substrate layer and a response transmission layer; wherein the response transmission layer is made of MXene. The invention can quickly show corresponding current response under different external pressures; the preparation method is simple, and the force-sensitive response device is high in sensitivity, low in cost, high in strength, good in flexibility and wide in application prospect in the field of wearable intelligent clothes.)

一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于力敏传感器领域，特别涉及一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法。

背景技术

伴随着智能可穿戴式电子产品的出现，传感器件能在人类及其周围环境的探测中发挥关键的作用。而柔性传感器件具有易加工、成本低、重量轻、以及出色的抗冲击性和耐用性，为创建智能可穿戴系统提供了新的可能性。在医学诊断、运动监测和人机界面等诸多应用领域中都变得至关重要。柔性传感器件是一种可以贴附于各种不规则对象的表面并对材料表面作用力(压缩、弯曲、拉伸、扭曲等)有感知作用的功能材料。

传统可穿戴设备是由加速度计和陀螺仪组合成完整的传感装置，用以更准确地检测人类行为，但这种方法存在着成本高、算法复杂、结构繁杂等问题。因此，兼具良好的传感性能和优秀的贴合性，加工性(可编、可纺等)的新材料成为未来可穿戴研究的主要方向。如何有效、简单、低成本地制备高导电性、高灵敏度、多功能、快速响应且高稳定性的柔性力敏传感材料，并将其应用到可穿戴传感设备中，是当前传感材料研究的重点与难点。

随着2D材料的迅速发展，除石墨烯之外，MXene作为一种新的2D材料加入2D纳米材料世界的大家族。Ti₃C₂是通过室温在HF中剥离Ti₃AlC₂粉末得到2D纳米片，将其命名为MXene。MXene是衍生自过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的2D层状材料，其中包括Ti₃C₂,Ti₂C,Ta₄C₃,TiNbC和(V_0.5Cr_0.5)₃C₂。基于MXene的传感器已经被广泛研究，MXene(Ti₃C₂T_x)/rGO(MX/rGO)超轻\超弹性气凝胶的力敏式传感器具有极高的灵敏度(22.56kPa^-1)，快速响应时间(<200ms)，并且在10000次循环中具有良好的稳定性，并且捕获低于10Pa的信号，从而可以随机清楚地测试成人的脉搏和各项动作，因此在区分细微应变和监测健康活动方面有着潜在应用。

然而对于高性能柔性传感器，除了在一个器件中实现高的响应和灵敏度外，也应满足未来可穿戴传感器的核心技术要求——生物相容性，这对材料和器件设计具有很大的挑战性，同时，在组装阶段所需原料(Pt,Au等)的价格昂贵也限制了柔性传感器的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种MXene涂覆纺织品力敏传感器及其制备方法，该力敏传感器灵敏度高、成本低、强度高，且具有较好的柔性，在可穿戴智能服装领域具有非常广阔的应用前景。

本发明提供了一种MXene涂覆纺织品力敏传感器，包括柔性基底层和响应传输层；其中，所述响应传输层的材料为MXene。

所述柔性基底层为无纺布、纯棉布、酮氨纤维布、纯麻布、竹纤维布中的一种。有较大的强度，且MXene在织物表面的附着能力良好，稳定性高，且织物的亲肤性优良，与人体接触时透气舒适。MXene具有高导电率和低的锂离子扩散阻挡层，具有稳定的长期循环性能。并且它具有无毒，生物相容性好等优势，适应可穿戴领域的需求。

本发明提供了一种MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备方法，包括：

(1)制备MXene分散液；

(2)将柔性基底放入上述MXene分散液中浸渍，然后取出并干燥得到MXene涂覆柔性基底材料；

(3)将上述MXene涂覆柔性基底材料的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，封装；然后一端连上工作电极，另一端连上对电极与参比电极，即得MXene涂覆纺织品力敏传感器。

所述步骤(1)中的MXene分散液的制备步骤如下：

配制LiF、盐酸与超纯水的刻蚀液并充分搅拌，然后加入MAX相Ti₃AlC₂粉末持续搅拌反应，刻蚀结束后将混合液移至离心管中，多次离心至上清液的pH接近7；然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，再次离心收取上层黑色的分散液，最后将分散液低温保存。

所述MAX相Ti₃AlC₂粉末、LiF、盐酸、超纯水的质量比为1:1～2.5:11.79～28.296:5。

其中，调控MXene在织物表面的载量的方法是提高MXene分散液的浓度和增加浸泡次数。

所述搅拌反应的工艺参数为：反应温度为20～30℃，搅拌速率为600～800r/min，搅拌时间为24～29h。

所述多次离心的速度为3500～4000r/min，离心时间为每次5～10min。

所述再次离心的速度为3500～4000r/min，离心时间为5～10min。

优选制备MXene的方法具体为：将MAX相(Ti₃AlC₂)粉末缓慢加入搅拌充分的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液，持续搅拌24h至刻蚀完全，其中MAX相(Ti₃AlC₂)粉末、LiF、盐酸、超纯水的质量比为1：1.5：18.3924：5。在3500r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3500r/min下离心5min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。

有益效果

(1)本发明的MXene涂覆纺织品力敏传感器材料具有良好的柔性、灵活性、高响应度和探测范围，可用于智能可穿戴领域。同时，兼具良好的机电性能、生物相容性和环境友好性。

(2)本发明制备方法简便易行，对生产设备要求低，成本低。

附图说明

图1为实施例1所制备的MXene的XRD图。

图2为本发明涂覆纺织品力敏传感器的制作原理图。

图3为实施例1-6所制备的多种织物每立方厘米吸附MXene质量图；

图4为实施例1-6所制备的多种织物吸附MXene后超声处理得到分散液的紫外吸收率(600nm)图；

图5为实施例1所制备的以棉布为基底的MXene涂覆纺织品力敏传感器在0.4V的直流偏压下的时间电流曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)MXene的制备过程：

将质量比为1.5：18.3924：5的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液充分搅拌，缓慢加入1gMAX相(Ti₃AlC₂)粉末，持续搅拌24h至刻蚀完全。在3500r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3500r/min下离心5min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。图1为本实施例1所制备的MXene的XRD图，可以看出MXene刻蚀完全。

(2)MXene/织物吸附处理：

将一定大小的纯棉布放入盛有步骤(1)中得到的MXene\水分散液培养皿中，浸渍充分后取出并冷风干燥，如图2所示。结合图3和图4，可以看出，纯棉布对MXene的吸附质量较多，附着能力良好，且经过长时间水洗不易脱落，稳定性优良。

(3)重复步骤(2)多次浸泡调控MXene在织物表面的载量。

(4)MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备：

将步骤(3)中得到的MXene涂覆纯棉布的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，然后一端连接工作电极(WE)，另一端与对电极(CE)和参比电极(RE)连接，使用聚酰亚胺胶带封装。在恒电位为0.4V的直流偏压下对本实施例制得的MXene涂覆纯棉布进行力敏电流响应行为测试。用砝码(15g)在MXene涂覆纯棉布的表面施加一定的压力，随着砝码质量增加，电流迅速增加，当移除砝码时，电流迅速降下来至起始的状态。MXene/涂覆纯棉布的力敏电流大约是87μA，对压力的响应迅速。图5为实施例1所制备的以纯棉布为基底的MXene涂覆纺织品力敏传感器在0.4V的直流偏压下的时间电流曲线。可以看出，在不同厚度的MXene涂覆纯棉布纺织品力敏传感器表面施加的外界压力越大，表现出相应的电流响应越大，且随着织物厚度的增加，电流响应会更加明显。

实施例2

(1)MXene的制备过程：

将质量比为1.0：15.0312：5的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液充分搅拌，缓慢加入1gMAX相(Ti₃AlC₂)粉末，持续搅拌25h至刻蚀完全。在3600r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3600r/min下离心6min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。

(2)MXene/织物吸附处理：

将一定大小的铜氨布放入盛有步骤(1)中得到的MXene\水分散液培养皿中，浸渍充分后取出并冷风干燥，如图2所示。结合图3和图4，可以看出，铜氨布对MXene的吸附量较多，附着能力较好，且经过长时间水洗不易脱落，稳定性较好。

(3)重复步骤(2)多次浸泡调控MXene在织物表面的载量。

(4)MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备：

将步骤(3)中得到的MXene涂覆铜氨布的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，使用聚酰亚胺胶带封装。然后一端连接工作电极(WE)，另一端与对电极(CE)和参比电极(RE)连接。在恒电位为0.4V的直流偏压下对本实施例制得的MXene涂覆铜氨布进行力敏电流响应行为测试。用砝码在MXene涂覆纯棉布的表面施加一定的压力，随着砝码质量增加，电流迅速增加，当移除砝码时，电流迅速降下来至起始的状态。MXene/涂覆铜氨布的力敏电流大约是38μA，对压力的响应较为迅速。

实施例3

(1)MXene的制备过程：

将质量比为1.25：21.6936：5的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液充分搅拌，缓慢加入1gMAX相(Ti₃AlC₂)粉末，持续搅拌26h至刻蚀完全。在3700r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3700r/min下离心7min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。

(2)MXene/织物吸附处理：

将一定大小的无纺布放入盛有步骤(1)中得到的MXene\水分散液培养皿中，浸渍充分后取出并冷风干燥，如图2所示。结合图3和图4，可以看出，无纺布对MXene的吸附量较多，附着能力较好，且经过长时间水洗不易脱落，稳定性较好。

(3)重复步骤(2)多次浸泡调控MXene在织物表面的载量。

(4)MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备：

将步骤(3)中得到的MXene涂覆无纺布的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，使用聚酰亚胺胶带封装。然后一端连接工作电极(WE)，另一端与对电极(CE)和参比电极(RE)连接。在恒电位为0.4V的直流偏压下对本实施例制得的MXene涂覆无纺布进行力敏电流响应行为测试。用砝码在MXene涂覆无纺布的表面施加一定的压力，随着砝码质量增加，电流增加明显，当移除砝码时，电流迅速降下来至起始的状态。MXene/涂覆无纺布的力敏电流大约是85μA，对压力的响应迅速。

实施例4

(1)MXene的制备过程：

将质量比为1.75：24.9948：5的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液充分搅拌，缓慢加入1gMAX相(Ti₃AlC₂)粉末，持续搅拌27h至刻蚀完全。在3800r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3800r/min下离心8min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。

(2)MXene/织物吸附处理：

将一定大小的纯麻布放入盛有步骤(1)中得到的MXene\水分散液培养皿中，浸渍充分后取出并冷风干燥，如图2所示。结合图3和图4，可以看出，纯麻布对MXene的吸附量较多，附着能力良好，且经过长时间水洗不易脱落，稳定性较好。

(3)重复步骤(2)多次浸泡调控MXene在织物表面的载量。

(4)MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备：

将步骤(3)中得到的MXene涂覆纯麻布的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，使用聚酰亚胺胶带封装。然后一端连接工作电极(WE)，另一端与对电极(CE)和参比电极(RE)连接。在恒电位为0.4V的直流偏压下对本实施例制得的MXene涂覆纯麻布进行力敏电流响应行为测试。用砝码在MXene涂覆纯麻布的表面施加一定的压力，随着砝码质量增加，电流增加较明显，当移除砝码时，电流迅速降下来至起始的状态。MXene/涂覆纯麻布的力敏电流大约是87μA，对压力的响应迅速。

实施例5

(1)MXene的制备过程：

将质量比为2.0：11.79：5的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液充分搅拌，缓慢加入1gMAX相(Ti₃AlC₂)粉末，持续搅拌28h至刻蚀完全。在3900r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3900r/min下离心9min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。

(2)MXene/织物吸附处理：

将一定大小的竹纤维布放入盛有步骤(1)中得到的MXene\水分散液培养皿中，浸渍充分后取出并冷风干燥，如图2所示。结合图3和图4，可以看出，竹纤维布对MXene的吸附量较多，附着能力良好，且经过长时间水洗不易脱落，稳定性好。

(3)重复步骤(2)多次浸泡调控MXene在织物表面的载量。

(4)MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备：

将步骤(3)中得到的MXene涂覆竹纤维布的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，使用聚酰亚胺胶带封装。然后一端连接工作电极(WE)，另一端与对电极(CE)和参比电极(RE)连接。在恒电位为0.4V的直流偏压下对本实施例制得的MXene涂覆竹纤维布进行力敏电流响应行为测试。用砝码在MXene涂覆竹纤维布的表面施加一定的压力，随着砝码质量增加，电流增加较明显，当移除砝码时，电流迅速降下来至起始的状态。MXene/涂覆竹纤维布的力敏电流大约是95μA，对压力的响应迅速。

实施例6

(1)MXene的制备过程：

将质量比为2.5：28.296：5的LiF、盐酸、超纯水刻蚀液充分搅拌，缓慢加入1gMAX相(Ti₃AlC₂)粉末，持续搅拌29h至刻蚀完全。在4000r/min下多次离心进行洗涤，至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在4000r/min下离心10min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。

(2)MXene/织物吸附处理：

将一定大小的涤纶布放入盛有步骤(1)中得到的MXene\水分散液培养皿中，浸渍充分后取出并冷风干燥，，如图2所示。结合图3和图4，可以看出，涤纶布对MXene的吸附量一般，附着能力很差，且经过长时间水洗易脱落，稳定性差。

(3)重复步骤(2)多次浸泡调控MXene在织物表面的载量。

(4)MXene涂覆纺织品力敏传感器的制备：

将步骤(3)中得到的MXene涂覆涤纶布的两端连接铜胶带并用导电银浆固定，使用聚酰亚胺胶带封装。然后一端连接工作电极(WE)，另一端与对电极(CE)和参比电极(RE)连接。在恒电位为0.4V的直流偏压下对本实施例制得的MXene涂覆涤纶布进行力敏电流响应行为测试。用砝码在MXene涂覆涤纶布的表面施加一定的压力，随着砝码质量增加，电流增加不明显，当移除砝码时，电流迅速降下来至起始的状态。MXene/涂覆涤纶布的力敏电流大约是35μA，对压力的响应较缓慢。