一种无聚合物基质的导电墨水、复合传感器及其制备方法

本发明涉及功能性墨水，尤其涉及一种无聚合物基质的导电墨水、复合传感器及其制备方法。

背景技术：

1、导电墨水是制造功能层的重要材料，这些功能层可作为传感器应用于智能电子、医疗保健、航空航天等众多领域。现有导电墨水中通常包括导电填料和聚合物基质，而将由导电墨水制备得到的传感器集成到主预浸复合材料中以制备智能复合材料时，传感器与主预浸复合材料中的聚合物的不同会使得两者的热行为不匹配，因热膨胀系数的差异可能会随着使用期间的温度变化而导致分层、开裂和结构恶化，降低主预浸复合材料的整体力学性能，同时传感器区域周围的分层和裂纹也会降低传感器的传感性能，甚至使得传感器丧失传感能力。因此，开发出与主预浸复合材料匹配的传感器的主要挑战在于导电墨水配方。

2、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无聚合物基质的导电墨水、复合传感器及其制备方法，旨在解决现有导电墨水制备的传感器与主预浸复合材料之间热行为不匹配、进而降低主预浸复合材料的整体力学性能的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明的第一方面，提供一种无聚合物基质的导电墨水，其中，包括溶剂，以及分散在所述溶剂中的还原氧化石墨烯和mxene，所述还原氧化石墨烯和mxene通过ti-o-c共价键连接。

4、可选地，所述溶剂为极性溶剂，所述极性溶剂包括水、乙醇、异丙醇、二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

5、本发明的第二方面，提供一种本发明如上所述的无聚合物基质的导电墨水的制备方法，其中，包括步骤：

6、提供氧化石墨烯分散液和mxene分散液，所述氧化石墨烯分散液和mxene分散液的溶剂至少包括水；

7、将所述氧化石墨烯分散液和mxene分散液进行混合，得到复合分散液；

8、将还原剂加入到所述复合分散液中，进行还原反应，得到包括还原氧化石墨烯和mxene的水凝胶；或，将还原剂、碱性物质加入到所述复合分散液中，进行还原反应，得到包括还原氧化石墨烯和mxene的水凝胶；

9、将所述水凝胶进行清洗，直至所述水凝胶的ph值呈中性；

10、将所述清洗后的水凝胶分散在溶剂中，得到所述无聚合物基质的导电墨水。

11、可选地，所述还原剂包括抗坏血酸、半胱氨酸、水合肼、二甲肼、柠檬酸钠、氢化乙酸、硼氢化钠、氢卤酸、发烟硫酸中的至少一种。

12、可选地，所述碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

13、可选地，所述还原反应的温度为60-95℃，所述还原反应的时间为6-12小时。

14、可选地，所述mxene包括ti3c2、ti2c、ti3cn中的至少一种。

15、本发明的第三方面，提供一种复合传感器，其中，包括预浸料层、嵌入在所述预浸料层中的传感器本体及与所述传感器本体相连的导电线，所述传感器本体包括还原氧化石墨烯和与所述还原氧化石墨烯通过ti-o-c共价键相连接的mxene。

16、可选地，所述导电线包括金属导线、碳纳米管纤维线、碳纤维线中的至少一种；

17、所述预浸料包括玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料、碳纤维预浸料、天然纤维基预浸料中的一种。

18、本发明的第四方面，提供一种本发明如上所述的复合传感器的制备方法，其中，包括步骤：

19、提供预浸料层；

20、在所述预浸料层上滴加本发明如上所述的无聚合物基质的导电墨水或在所述预浸料层上滴加采用本发明如上所述的制备方法制备得到的无聚合物基质的导电墨水，干燥后，形成传感器本体；

21、在所述传感器本体上设置导电线；

22、在所述传感器本体和导电线上形成预浸料层，干燥、固化后，得到所述复合传感器。

23、有益效果：本发明提供的导电墨水采用还原氧化石墨烯和mxene协同组合，不含有额外的聚合物基质，为在主预浸复合材料中嵌入传感器以制造智能复合材料建立了非侵入条件，使得传感器能够在无创条件下嵌入主预浸复合材料。由所述导电墨水制备的嵌入式传感器可以被主预浸复合材料完全浸渍，防止传感器和主预浸复合材料之间的热行为不匹配，避免了因热膨胀系数的差异而导致的在使用期间随温度变化而产生的开裂和结构恶化，保留了主预浸复合材料的机械性能(如力学性能)和结构完整性，使得主预浸复合材料的机械性能不受传感器集成的影响。同时，还原氧化石墨烯和mxene的结合效应，协同改善传感器的使用通路。

技术特征：

1.一种无聚合物基质的导电墨水，其特征在于，包括溶剂，以及分散在所述溶剂中的还原氧化石墨烯和mxene，所述还原氧化石墨烯和mxene通过ti-o-c共价键连接。

2.根据权利要求1所述的无聚合物基质的导电墨水，其特征在于，所述溶剂为极性溶剂，所述极性溶剂包括水、乙醇、异丙醇、二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

3.一种如权利要求1或2所述的无聚合物基质的导电墨水的制备方法，其特征在于，包括步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂包括抗坏血酸、半胱氨酸、水合肼、二甲肼、柠檬酸钠、氢化乙酸、硼氢化钠、氢卤酸、发烟硫酸中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述还原反应的温度为60-95℃，所述还原反应的时间为6-12小时。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述mxene包括ti3c2、ti2c、ti3cn中的至少一种。

8.一种复合传感器，其特征在于，包括预浸料层、嵌入在所述预浸料层中的传感器本体及与所述传感器本体相连的导电线，所述传感器本体包括还原氧化石墨烯和与所述还原氧化石墨烯通过ti-o-c共价键相连接的mxene。

9.根据权利要求8所述的复合传感器，其特征在于，所述导电线包括金属导线、碳纳米管纤维线、碳纤维线中的至少一种；

10.一种如权利要求8或9所述的复合传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

技术总结
本发明公开一种无聚合物基质的导电墨水、复合传感器及其制备方法，其中，导电墨水包括溶剂，以及分散在溶剂中的还原氧化石墨烯和MXene，还原氧化石墨烯和MXene通过Ti‑O‑C共价键连接。本发明提供的导电墨水采用还原氧化石墨烯和MXene协同组合，且不含有额外的聚合物基质，为在主预浸复合材料中嵌入传感器建立了非侵入条件。由导电墨水制备的嵌入式传感器可以被主预浸复合材料完全浸渍，防止传感器和主预浸复合材料之间的热行为不匹配，避免了因热膨胀系数的差异而导致的在使用期间随温度变化而产生的开裂和结构恶化，保留了主预浸复合材料的机械性能和结构完整性，使得主预浸复合材料的机械性能不受传感器集成的影响。

技术研发人员：林安驰利,周利民
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13