本发明专利技术提供了一种仿豌豆荚结构的超疏水多功能传感材料，包括柔性基底和负载于柔性基底表面的仿豌豆荚结构导电层；所述仿豌豆荚结构导电层包括至少两层上下层叠设置的MXene纳米片，任意两层相邻MXene纳米片之间嵌有碳质纳米颗粒和非导电纳米纤维。本发明专利技术通过将零维的导电碳质纳米颗粒和一维非导电纳米纤维通过层层组装工艺嵌入到二维导电材料MXene纳米片层中间，在柔性基材表面成功构建了“仿豌豆荚”结构的导电层。然后使用疏水型纳米二氧化硅分散液对导电材料表面进行疏水封装保护，成功制得了超疏水柔性传感材料。在人类行为检测、非接触传感、车辆特异性识别、呼吸管理、智能体育、火灾预警等场景中具有广泛的应用潜力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器制备，尤其涉及一种仿豌豆荚结构的多功能传感材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着数字信息时代的到来和电子工业的快速发展，柔性压力传感器因其简单的制造工艺和成熟的信号处理技术，在可穿戴设备、人机界面和物联网等领域发挥着越来越重要的作用，引起了学术界和工业界广泛关注。同时，大多数传感器通常使用不可降解的人造聚合物来封装器件和制备传感材料和底部基板，由于废弃器件的不合理丢弃造成了电子废弃物的紧迫问题，迫切需要能够绿色可降解的生物质基传感器。
2、基于此，可再生、可生物降解、低成本、高灵敏度的纤维素纸基压力传感器成为了目前柔性可穿戴器件领域的研究热点，其主要制备路径通常是将导电材料适当地整合到纸基材中，从而制造出具有高灵敏度、耐久性优异的柔性纸基压力传感器。
3、纤维素分子固有的亲水性使得纸基表面极易被润湿，进而导致机械性能和导电性骤降。因此，普通导电纸作为传感器时，其在高湿度甚至水下等严苛的应用场景中的稳定运行受到了极大限制。
4、另外，传感器的多功能化也是一大发展趋势。在实际应用中，一个典型的“传感过程”通常同时包含多种外界刺激(如压力、温度、湿度等)。
5、而目前最为常见的用于提高传感器件灵敏度的策略是使用不同维度的纳米材料，从结构设计的角度出发构建具有微裂缝、微阵列、多孔结构、微金字塔、微穹顶和双网络等特殊微结构的导电层，以便在压力等多种应变下实现导电途径的快速变化而产生电信号输出。以上方法获得的单一的压力传感器已无法高效地在复杂环境中稳定运行。
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p>6、然而，目前为止，集超疏水、高灵敏和多功能传感等特性于一体的可降解纤维素纸基传感器件的设计与构建仍然是技术难题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种仿豌豆荚结构的多功能传感材料及其制备方法和应用，制备得到了灵敏度高、多模式传感(压力、温度和湿度)的柔性传感材料。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种仿豌豆荚结构的多功能传感材料，包括柔性基底和负载于柔性基底表面的仿豌豆荚结构导电层；
3、所述仿豌豆荚结构导电层包括至少两层上下层叠设置的mxene纳米片，任意两层相邻mxene纳米片之间嵌有碳质纳米颗粒和非导电纳米纤维。
4、本专利技术对上述柔性基底的选择并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用柔性基底，包括但不限于纸制品、碳布、织物等柔性基底材料。在使用前剪裁为合适尺寸即可。
5、所述柔性基底表面负载有仿豌豆荚结构的导电层。
6、所述柔性基底的两侧表面均负载有仿豌豆荚结构的导电层。
7、所述mxene纳米片(ti3c2tx)的数量可以为2～30层。
8、当所述导电层包括第一mxene纳米片和第二mxene纳米片时，记为2层结构。当所述导电层包括第一mxene纳米片、第二mxene纳米片和第三mxene纳米片时，记为3层结构。以此类推。
9、本专利技术中的上下层叠设置是指相邻的两片mxene纳米片在垂直方向(y轴方向)相互重叠。
10、任意两层相邻的mxene纳米片通过嵌入二者之间的碳质纳米颗粒和非导电纳米纤维连接，形成上下层叠连接结构，类似于豌豆荚结构。
11、本专利技术采用的mxene纳米片是用lif/hcl选择性地刻蚀ti3alc2粉末的al层而合成的ti3c2txmxene纳米片。
12、当所述mxene纳米片为2层以上时，任意两层相邻的mxene纳米片之间均嵌有碳质纳米颗粒和非导电纳米纤维。
13、所述碳质纳米颗粒优选为球形导电碳黑(cb)。
14、所述碳质纳米颗粒的粒径优选为20～40nm，更优选为25～35nm。
15、所述非导电纳米纤维优选为纤维素纳米纤维。
16、所述非导电纳米纤维的直径优选为4～10nm，更优选为6～8nm，长度优选为1100～3000nm，更优选为1500～2000nm。
17、本专利技术优选的，所述仿豌豆荚结构导电层表面复合有疏水层，进一步提高材料的疏水性能。
18、优选的，所述疏水层为疏水型气相纳米二氧化硅或任意无氟型超疏水涂层。
19、优选的，所述疏水层的厚度为1.0～3.0μm。
20、本专利技术采用的疏水型气相纳米二氧化硅可以为一般市售的疏水型气相纳米二氧化硅，或亲水型气相二氧化硅经疏水改性得到。
21、所述亲水型气相纳米二氧化硅的比表面积优选为150～380㎡/g，更优选为200㎡/g；粒径优选为5～100nm，更优选为15nm。
22、本专利技术对上述改性的方法并无特殊限定，只要通过改性减少纳米二氧化硅表面硅羟基数量，使纳米二氧化硅完全疏水即可。
23、优选的，本专利技术采用低表面能改性剂对亲水型气相纳米二氧化硅进行改性。
24、所述低表面能改性剂优选为有机硅烷类化合物，更优选为六甲基二硅氮烷、二甲基二氯硅烷和硅油等中的任意一种或多种，进一步优选为硅油。
25、优选的，改性过程中，采用醇类或水作为溶剂。
26、得到的疏水型气相纳米二氧化硅在溶剂中的质量分数优选为1～5wt.％，更优选为2wt.％。
27、本专利技术制备的上述超疏水多功能传感材料的制备方法可对压力、温度、湿度等不同的外界刺激产生电信号响应。
28、本专利技术提供了上述仿豌豆荚结构的超疏水多功能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
29、s1)将柔性基底浸入含碳质纳米颗粒和非导电纳米纤维的第一分散液中，得到导电纸；
30、s2)将上述导电纸浸入含mxene纳米片和非导电纳米纤维的第二分散液中，得到仿豌豆荚结构的多功能传感材料。
31、本专利技术采用层层组装法，将柔性基底依次浸入含碳质纳米颗粒和非导电纳米纤维的第一分散液、含mxene纳米片和导电纳米纤维的第二分散液中，在柔性基底表面成功构建了在二维(2d)mxene纳米片之间嵌入零维(0d)的碳质纳米颗粒/一维(1d)的非导电纳米纤维(cnf)的“仿豌豆荚”结构导电层，该导电材料内部具有大量纳米级导电“接触-分离”位点(cb-cb)和新增两种cb-mxene和mxene-mxene“接触-分离”类型，因而具有多种“接触-分离”类型和大量纳米级导电位点，为后续传感器的高灵敏度提供了可能。
32、本专利技术优选的，上述第一分散液通过含碳质纳米颗粒的分散液和含非导电纳米纤维的分散液混合制备得到。
33、所述含碳质纳米颗粒的分散液和含非导电纳米纤维的分散液的体积比优选为2:1～1:4，更优选为1:2。
34、优选的，所述碳质纳米颗粒在第一分散液中的浓度为2～8mg/ml，更优选为4～6mg/ml，进一步优选为5mg/ml。
35、优选的，所述非导电纳米纤维在第一分散液中的浓度为0.5～2.5mg/ml，更优选为1.0～2.0mg/ml；进一步优选本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种仿豌豆荚结构的超疏水多功能传感材料，包括柔性基底和负载于柔性基底表面的仿豌豆荚结构导电层；
2.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述柔性基底为纸制品、碳布、织物中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述MXene纳米片的数量为2～30层。
4.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述碳质纳米颗粒为球形导电碳黑；
5.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述仿豌豆荚结构导电层表面复合有疏水层。
6.根据权利要求5所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述疏水层为疏水型气相纳米二氧化硅或无氟型超疏水涂层。
7.权利要求1～6任一项所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料的制备方法，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述碳质纳米颗粒在第一分散液中的浓度为2～8mg/mL；
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2)完成后还包括步骤S3)：
10.一种多功能传感器，包括权利要求1～6任一项所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料。
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【技术特征摘要】
1.一种仿豌豆荚结构的超疏水多功能传感材料，包括柔性基底和负载于柔性基底表面的仿豌豆荚结构导电层；
2.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述柔性基底为纸制品、碳布、织物中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述mxene纳米片的数量为2～30层。
4.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述碳质纳米颗粒为球形导电碳黑；
5.根据权利要求1所述的仿豌豆荚结构的多功能传感材料，其特征在于，所述仿豌豆荚结构导电层表...
【专利技术属性】
技术研发人员：贠童童，朱宏伟，阳路，姜云，乐名菊，刘春景，邓凤伟，戴俊，
申请(专利权)人：岳阳林纸股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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