一种具有双通道结构的压力-温度双重传感气凝胶材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种具有双通道结构，可同时检测、识别压力和温度信号的双重传感气凝胶材料的制备。具体是一种利用二维导电纳米片层材料与半晶态聚氧化乙烯复合的导电气凝胶材料的制备方法。


背景技术：

2.在未来的传感器技术应用领域中，准确地感觉到例如人体在不同温度下的脉搏信号是一个必然的趋势和巨大的挑战。利用二维导电纳米片层材料与半晶态聚氧化乙烯复合制备的导电气凝胶材料具有两层导电结构，可以同时感应温度和压力两种信号的变化。在此基础上，我们研究了一种双重传感气凝胶材料，并展示了其惊人的微妙双重传感特性。


技术实现要素：

3.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用二维导电纳米片层材料与半晶态聚氧化乙烯复合的导电气凝胶材料。
4.本发明的技术方案是：
5.一种具有双通道结构的压力-温度双重传感气凝胶材料，是利用二维导电纳米片层材料与半晶态聚氧化乙烯复合的导电气凝胶材料，所述导电气凝胶材料由二维过渡金属碳化物mxene和半晶态聚氧化乙烯制备而成；其中，柔性微孔壁为第一导电通道结构，受压力时微孔壁发生弯曲、折叠、相互接触等形变，产生电阻变化，形成压阻效应；微孔壁内部为聚氧化乙烯插层的层状纳米孔道结构，为第二导电通道结构，温度变化时聚氧化乙烯从半晶态和无定型态间转化，纳米孔道发生收缩或膨胀，产生电阻变化，形成温阻效应。
6.进一步的，气凝胶具有蜂窝状多孔结构，微孔壁厚度为5-100nm，微孔壁长度为50-1500μm，为第一导电通道结构；气凝胶密度为0.5-20mg/cm3。微孔壁内部为聚氧化乙烯插层的多级层状纳米孔道结构，纳米孔道的层间距为1.5-3nm，为第二导电通道结构。微孔壁受压力刺激时，孔壁发生弯曲、折叠、相互接触等形变，产生电阻变化，形成压阻效应。受温度变化刺激时，聚氧化乙烯从半晶态和无定型态间转化，纳米孔道发生收缩或膨胀，产生电阻变化，形成温阻效应；具体为，温度从聚氧化乙烯晶体熔点温度以下上升到熔点温度以上时，聚氧化乙烯从半晶态转化为无定型态，粘度降低，二维导电纳米片层材料形成的纳米孔道发生收缩，电阻下降；温度从聚氧化乙烯晶体熔点温度以上下降到熔点温度以下时，聚氧化乙烯从无定型态转化为半晶态，二维导电纳米片层材料形成的纳米孔道发生膨胀，电阻上升。
7.一种具有双通道结构的压力-温度双重传感气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)把聚氧化乙烯加入二维层状过渡金属纳米片水性分散液中，震荡1分钟，形成稳定的均匀分散液；
9.(2)通过冷冻干燥，制备气凝胶多孔结构，形成聚氧化乙烯插入二维层状过渡金属纳米片层间的多级层状孔壁结构；
10.进一步的，聚氧化乙烯含的加入量为二维层状过渡金属纳米片材料质量的5-40wt％；
11.进一步的，二维层状过渡金属纳米片水性分散液的浓度为5-40mg/ml。
12.进一步的，所述二维导电纳米片层材料为石墨烯或二维层状过渡金属碳化物纳米片(mxene)；mxene为单层或寡层碳化钛ti3c2t
x
纳米片，由过渡金属、钛或碳以及表面活性端基组成，纳米片表面含有大量活性端基，包括羟基等，单层或寡层纳米片面积大小在0.1um2到5um2之间，厚度为2-5nm之间，采用氟化氢刻蚀的方法制备。
13.进一步的，所述的半晶态聚氧化乙烯，其分子量为500，1000，1500，2000，3000中的一种或几种混合。熔点范围在20-60℃间。
14.进一步的，柔性可穿戴传感器结构包括自下而上组装的柔性基板、叉指电极、双重传感气凝胶材料、叉指电极和柔性基板；所述柔性基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲氧基硅氧烷中的一种。
15.本发明的有益效果是：
16.微孔壁受压力刺激时，孔壁发生弯曲、折叠、相互接触等形变，产生电阻变化，形成压阻效应。
17.受温度变化刺激时，聚氧化乙烯从半晶态和无定型态间转化，纳米孔道发生收缩或膨胀，产生电阻变化，形成温阻效应；具体为，温度从聚氧化乙烯晶体熔点温度以下上升到熔点温度以上时，聚氧化乙烯从半晶态转化为无定型态，粘度降低，二维导电纳米片层材料形成的纳米孔道发生收缩，电阻下降；温度从聚氧化乙烯晶体熔点温度以上下降到熔点温度以下时，聚氧化乙烯从无定型态转化为半晶态，二维导电纳米片层材料形成的纳米孔道发生膨胀，电阻上升。
18.用于制备可同时检测、识别压力和温度信号的柔性可穿戴压力-温度传感器。所述的柔性可穿戴压力-温度传感器，其性能特征包括：(1)可精确检测、识别温度和压力信号；(2)压力检测范围在0.005-2000pa之间，温度检测精度在0.05-0.2℃之间；(3)压力灵敏度具有温度依赖性，在聚氧化乙烯熔点区间范围内，灵敏度随温度降低二升高；(4)能精准检测人体在不同体温状态下，脉搏搏动波形变化的微弱差异。
附图说明
19.图1为双重传感气凝胶材料与传感器件结构示意图。
20.图中：1为柔性电极，2为双重传感气凝胶材料，3为二维层状过渡金属纳米片材料，4为聚氧化乙烯。
21.图2为受压力和温度刺激时，双重传感气凝胶材料的双通道结构变化图。
22.图3为双重传感气凝胶材料的电阻温度系数。
23.图4为双重传感气凝胶材料在不同温度下的压力传感灵敏度。
24.图5为双重传感气凝胶材料检测、识别不同重量和不同温度的水滴产生的压力和温度信号图。
25.图6为柔性可穿戴压力-温度传感器检测人体脉搏搏动。
26.图7为可穿戴压力-温度传感器精准检测人体在不同体温状态下，脉搏搏动波形变化的微弱差异。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明，但实施例不对本发明做任何限制。
28.实施例中未注明的具体使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到，或本领域的普通技术人员用熟知的方法得到。所涉及的具体实验方法、操作条件，通常按照常规工艺条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。
29.实施例1：
30.(1)称取20mg化学法制备(mild法)的片层约1-2μm大小的mxene置于试剂瓶中，加入1ml去离子水，超声(功率为500w)2分钟得到20mg/ml的mxene分散液。
31.(2)在mxene溶液中加入3.33mg的聚氧化乙烯(分子量1500)和0.67mg的聚氧化乙烯(分子量1000)，震荡3分钟使聚氧化乙烯完全溶解。
32.(3)将步骤(2)得到的溶液等待冷却后放入方形模具中，并将方形模具完全浸泡在液氮内部，等待10分钟使溶液完全结冰。
33.(4)将步骤(3)得到的固体放置于冷冻干燥机内，等待2-3天水分完全挥发。从方形模具中取出，得到最终的双重传感气凝胶材料。如图1所示，双重传感气凝胶材料由二维导电纳米片层材料与半晶态聚氧化乙烯复合而成的导电多孔材料，微孔壁具有多级层状结构。
34.(5)测试其压力传感，温度传感，及双重传感性能。如图2所示，双重传感气凝胶材料受压，微孔壁受压力刺激，孔壁发生弯曲、折叠、相互接触等形变，产生电阻变化，形成压阻效应。受温度刺激时，聚氧化乙烯从半晶态和无定型态间转化，纳米孔道发生收缩或膨胀，产生电阻变化。图3为双重传感气凝胶材料的电阻温度系数，达-10％/℃；图4为双重传感气凝胶材料在不同温度下的压力传感灵敏度；图5为双重传感气凝胶材料检测、识别不同重量和不同温度的水滴产生的压力和温度信号；图6为柔性可穿戴压力-温度传感器检测人体脉搏搏动，图7显示可以精准检测人体在不同体温状态下，脉搏搏动波形变化的微弱差异。
35.实施例2：
36.(1)称取20mg化学法制备(mild法)的片层约1-2μm大小的mxene置于试剂瓶中，加入1ml去离子水，超声(功率为500w)2分钟得到20mg/ml的mxene分散液。
37.(2)在mxene溶液中加入4mg的聚氧化乙烯(分子量1000)，震荡3分钟使聚氧化乙烯完全溶解。
38.(3)将步骤(2)得到的溶液等待冷却后放入方形模具中，并将方形模具完全浸泡在液氮内部，等待10分钟使溶液完全结冰。
39.(4)将步骤(3)得到的固体放置于冷冻干燥机内，等待2-3天水分完全挥发。从方形模具中取出，得到最终的双重传感气凝胶材料。
40.实施例3：
41.(1)称取20mg化学法制备(mild法)的片层约1-2μm大小的mxene置于试剂瓶中，加入1ml去离子水，超声(功率为500w)2分钟得到20mg/ml的mxene分散液。
42.(2)在mxene溶液中加入4mg的聚氧化乙烯(分子量1500)，震荡3分钟使聚氧化乙烯完全溶解。
43.(3)将步骤(2)得到的溶液等待冷却后放入方形模具中，并将方形模具完全浸泡在液氮内部，等待10分钟使溶液完全结冰。
44.(4)将步骤(3)得到的固体放置于冷冻干燥机内，等待2-3天水分完全挥发。从方形模具中取出，得到最终的传感材料。
45.实施例4：
46.(1)称取20mg化学法制备(mild法)的片层约1-2μm大小的mxene置于试剂瓶中，加入1ml去离子水，超声(功率为500w)2分钟得到20mg/ml的mxene分散液。
47.(2)在mxene溶液中加入3.64mg的聚氧化乙烯(分子量1500)和0.36mg的聚氧化乙烯(分子量1000)，震荡3分钟使聚氧化乙烯完全溶解。
48.(3)将步骤(2)得到的溶液等待冷却后放入方形模具中，并将方形模具完全浸泡在液氮内部，等待10分钟使溶液完全结冰。
49.(4)将步骤(3)得到的固体放置于冷冻干燥机内，等待2-3天水分完全挥发。从方形模具中取出，得到最终的传感材料。