[發明專利]一種基于仿生MXene氣凝膠傳感材料及其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202110079706.1
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112834088B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 梁嘉杰;史鑫磊
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L9/06
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

本發明涉及一種基于仿生MXene氣凝膠傳感材料及其制備方法及應用，具體步驟包括：(1)有機硅氧烷與二維過渡金屬碳化物MXene混合，通過水解反應生成聚硅氧烷合并吸附于MXene片層，形成穩定的均勻分散液；(2)通過冷凍干燥制備多孔氣凝膠，微孔壁為聚硅氧烷插層的多層MXene結構；(3)加熱反應，聚硅氧烷與MXene形成化學交聯，穩定孔壁中納米孔道結構，制得仿生氣凝膠。所制得的壓力傳感材料受力時，層狀孔壁中的納米孔道優先發生收縮或膨脹，產生電阻變化；本發明的基于該仿生MXene氣凝膠的柔性壓力傳感器，能實現毫帕量級壓力及50dB聲壓的檢查，靈敏度達1900kPa^?1以上，反應時間達毫秒級別。

技術領域

本發明涉及一種壓力傳感材料和壓力傳感器的制備方法，具體是一種具有類蜘蛛風琴狀傳感器官結構的仿生氣凝膠的制備方法及超靈敏壓力傳感器的制備。

背景技術

在未來的傳感器技術應用領域中，準確地感覺到例如人體靜脈信號或者聲波在空氣中傳輸信號等微小的機械力信號是一個必然的趨勢和巨大的挑戰。在自然界中，蜘蛛可以利用世界上最敏感的力傳感器之一——位于蜘蛛腿髕骨下的外骨骼傳感器來感知和檢測周圍環境中的微小機械力和納米級應變。在此基礎上，我們研究了一種基于仿生壓阻氣凝膠的超靈敏壓阻壓力傳感器，并展示了其驚人的微妙壓力傳感特性。

發明內容

為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于仿生MXene氣凝膠的超高靈敏超低壓力傳感器。

本發明的技術方案是：

一種基于仿生MXene氣凝膠傳感材料，所述仿生MXene氣凝膠材料由二維過渡金屬碳化物MXene和有機硅氧烷通過組裝和化學交聯制備而成；硅氧烷聚合成聚硅氧烷并插入MXene片層中，形成類蜘蛛風琴狀傳感器官的多級層狀孔壁結構；仿生氣凝膠受力時，孔壁內的納米孔道會發生收縮或膨脹，產生電阻變化。

進一步的，所得仿生MXene氣凝膠傳感材料具有蜂窩狀多孔結構，微孔壁厚度為5-100nm，孔壁內多級層狀MXene的層間距為1.5-3nm，孔壁長度為50-1500μm；氣凝膠密度為0.5-20mg/cm³。仿生MXene氣凝膠受到外力刺激時，多級層狀孔壁結構中的納米孔道會優先發生收縮或膨脹，促使電阻變化。所述類蜘蛛風琴狀傳感器官的多級層狀孔壁結構為，線性或網絡狀聚硅氧烷插入MXene層間，并通過形成Ti-O-Si鍵與MXene進行化學交聯，組裝成穩定的具有平行納米孔道的多級層狀孔壁結構。

一種基于仿生MXene氣凝膠傳感材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)把聚硅氧烷的有機前驅體硅氧烷單體加入MXene水性分散液中，在100-200℃下水熱反應2-10小時，硅氧烷單體水解并聚合成聚硅氧烷，并吸附于MXene片層，形成穩定的均勻分散液；

(2)通過冷凍干燥，制備氣凝膠多孔結構，形成聚硅氧烷插入MXene片層間的多級層狀孔壁結構；

(3)MXene氣凝膠在惰氣保護下，在100-200℃加熱反應1-5小時，聚硅氧烷聚與MXene片層間通過硅烷化反應形成Ti-O-Si鍵，穩定MXene層間納米孔道，制得仿生MXene氣凝膠。

進一步的，所述有機硅氧烷單體的加入量為MXene質量的2-20wt％；

進一步的，所述MXene水性分散液的濃度為5-20mg/ml；

進一步的，所述MXene與郵寄硅氧烷的均勻分散液，在空氣中保存6個月以上，不出現沉淀或MXene氧化降解現象。