[发明专利]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

说明书

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。

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