【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物质高分子纳米复合材料领域，涉及一种结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、多糖是一类天然聚合物，具有广泛的来源、良好的生物相容性和环境友好等优点，在传感器、离子导体和生物医学等领域有着巨大的应用潜力。然而，纤维素、几丁质和类似的壳聚糖等多糖在常用有机溶剂和水中难以溶解，这限制了它们的实际应用。多糖基水凝胶作为一种重要的应用形式，通常需要在硬度和可拉伸性之间找到平衡。采用柔性聚合物作为基质时，虽然可以获得具有较好拉伸性的水凝胶，但这主要归功于基质聚合物本身，多糖在其中主要扮演增强或增韧的角色。相反，当多糖被用作水凝胶的主要基质时(含量超过50％)，所得水凝胶具有较好的机械强度，但其拉伸性能往往较差，限制了其在实际生活中的使用。
2、纤维素纳米晶基手性阵列水凝胶膜在拉伸过程中展现出的结构色变化，为其在传感器领域的应用提供了新的可能性。这种结构色的变化不仅提供了一种直观的方式来感知和响应外界的机械刺激，还使得该水凝胶膜能够作为一种可视化的传感器，在多种应用场景中发挥作用。然而，其结构色对比度不足，使得由应变引起的结构色变化不易明显区分，这一局限性不利于将其在机械刺激响应传感器中的应用潜力。
3、而mxene作为一种新型二维过渡金属碳化物和氮化物，因其优异的物理化学性质而备受关注。由于具有丰富的氧或羟基末端表面和完整的金属原子层，mxene可以通过氢键、范德华力、静电相互作用、配位键等与大多数生物分子相互作用，这使其成为生物传感器结构中独特的纳米生物单元。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术目的之一在于提供一种结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料的制备方法，解决传统多糖基水凝胶膜机械性能与拉伸性能难以得到平衡，以及纤维素纳米晶基手性阵列水凝胶膜机械刺激响应呈现的结构色对比度不足的问题；本专利技术目的之二在于提供结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料制备方法制备的应变传感材料产品；本专利技术目的之三在于提供该结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料产品在可视化与数字化传感领域中的应用。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料的制备方法，包括如下步骤：
4、s1、制备纤维素纳米晶悬浮液：对不同纤维素源的生物质进行硫酸酸处理得到一维棒状高长径比、高比表面积且光致发光性能出色的纤维素纳米晶(cnc)悬浮液，通过旋蒸将其浓缩至2-8wt％；
5、s2、制备cnc手性阵列与mxene共组装材料：为调控共组装材料中各组分占比以调节材料的机械性能，将10-20％聚乙烯醇(pva)溶液、步骤s1制备的纤维素纳米晶悬浮液以及mxene悬浮液按照质量比为(10～50):80:(10～15)混合，室温磁力搅拌5h以获得均匀的分散液；再将上述分散液置于冰水浴中用超声波清洗机超声处理5～10min诱导cnc一维棒状端进入mxene层，形成“针尖撬动”效应，通过室温蒸发诱导自组装得到纤维素纳米晶手性阵列共组装材料，室温蒸发诱导自组装有助于得到共组装材料的纤维素纳米晶手性阵列结构并兼顾mxene导电通路形成；
6、s3、制备结构色可视化与电数字化应变传感器材料：取步骤s2制备的纤维素纳米晶手性阵列共组装材料在室温下进行碱处理1h，随后用去离子水清洗至中性得到结构色可视化与电数字化应变传感器材料。
7、进一步，步骤s1中纤维素纳米晶来源为棉花、针叶木、亚麻、海鞘、棉杆或甘蔗渣类中一种或多种混合物。
8、进一步，步骤s1中纤维素纳米纤维的长度范围为100～700nm，宽度范围为2～12nm；纤维素纳米纤维分散液的浓度为0.1～1wt％。
9、进一步，步骤s2中的聚乙烯醇规格为pva-1788，醇解度为87-89。
10、进一步，步骤s2冰浴环境下超声功率为50-400w，有利于形成诱导cnc一维棒状端进入mxene层间的“针尖撬动”效应，提高mxene悬浮液中分散稳定性、材料内分布均一性及形成导电通路的可靠性。
11、进一步，步骤s2中mxene悬浮液制备方法为：将1.0-4.0g mxene粉末缓慢添加到包含20-60ml 7-9mol/l hcl和3.0-5.0g lif的混合溶液中后，在40℃下连续搅拌48h制备层状mxene；然后将所得溶液离心并用4mol/l hcl洗涤3次；随后用去离子水洗涤数次直至上清液的ph接近中性。将离心获得的沉淀物分散在装有去离子水的丝口瓶中，随后在冰浴中超声处理1h；最后，将溶液以5000rpm离心0.5h，收集上层液体，得到含有少层mxene纳米片的mxene悬浮液。
12、进一步，步骤s2中mxene悬浮液的固含量为0.02-0.1wt％，保证了mxene形成导电通路及其传感响应线性相关灵敏度并且减缓了cnc/pva组装悬浮液中的团聚。
13、进一步，步骤s2中分散液在室温下以0.05～1.0ml/(cm2·天)蒸发诱导速率进行自组装，以保证得到共组装材料的纤维素纳米晶手性阵列结构与mxene导电通路。
14、进一步，步骤s3中的氢氧化钠溶液浓度为1～3mol/l。
15、根据上述结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料制备方法制备得到的应变传感材料产品。
16、上述结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料产品在可视化与数字化智能传感、运动监测、传感装备领域中的应用。
17、本专利技术的有益效果在于：
18、1、本专利技术所公开的结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料，通过分别向纤维素纳米晶悬浮液中添加10％聚乙烯醇溶液与mxene悬浮液形成组装前体，利用纤维素纳米晶的自组装行为制备具有手性阵列结构的膜材料，再经碱处理实现组装膜的交联得到结构色可视化与电数字化应变传感器材料。该结构色可视化与电数字化应变传感器材料既能满足日常传感应用的机械性能需求，又能满足可视化与数字化传感功能的需求。
19、2、本专利技术所公开的结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料，通过调整pva与cnc的比例，可以精确调控结构色，适量的mxene引入不仅不会影响手性组装，还能提高结构色对比度，并且归因于cnc/pva/mxene的亲水性，三者可均匀分散，这使得mxene均匀分散在cnc/pva所形成的手性阵列结构，促使其形成良好的导电通路，进一步增强了材料的导电性能；同时，通过碱处理实现柔性聚合物的交联，显著提高多糖基水凝胶的拉伸性能，赋予其机械刺激结构色响应的能力。该方法制备的材料在保持结构色可视化特性的同时，具备了优异的导电性能和机械性能，有望用于智能运动装备领域，用于人体的训练监测。
20、3、本专利技术所公开的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中纤维素纳米晶的长度范围为100～700nm，宽度范围为2～12nm；纤维素纳米晶分散液的浓度为0.1～1wt％。
3.如权利要求1所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中的聚乙烯醇规格为PVA-1788，醇解度为87-89。
4.如权利要求3所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S2冰浴环境下超声功率为50-400W，有利于形成诱导CNC一维棒状端进入MXene层间的“针尖撬动”效应，提高MXene悬浮液中分散稳定性、材料内分布均一性及形成导电通路的可靠性。
5.如权利要求4所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中MXene悬浮液制备方法为：将1.0-4.0g MXene粉末缓慢添加到包含20-60mL 7-9mol/L HCl和3.0-5.0g LiF的混合溶液中后，在40℃下连续搅拌48h制备层状MXene；然后将所得溶液离心并用4mol/LHCl
6.如权利要求5所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中MXene悬浮液的固含量为0.02-0.1wt％，保证了MXene形成导电通路及其传感响应线性相关灵敏度并且减缓了CNC/PVA组装悬浮液中的团聚。
7.如权利要求5所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中分散液在室温下以0.05～1.0mL/(cm2·天)蒸发诱导速率进行自组装，以保证得到共组装材料的纤维素纳米晶手性阵列结构与MXene导电通路。
8.采用权利要求1～7任一项所述结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料制备方法制备得到的应变传感材料产品。
9.如权利要求8所述结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料产品在可视化与数字化智能传感、运动监测、传感装备领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种结构色可视化与电信号数字化耦合的应变传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中纤维素纳米晶的长度范围为100～700nm，宽度范围为2～12nm；纤维素纳米晶分散液的浓度为0.1～1wt％。
3.如权利要求1所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中的聚乙烯醇规格为pva-1788，醇解度为87-89。
4.如权利要求3所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤s2冰浴环境下超声功率为50-400w，有利于形成诱导cnc一维棒状端进入mxene层间的“针尖撬动”效应，提高mxene悬浮液中分散稳定性、材料内分布均一性及形成导电通路的可靠性。
5.如权利要求4所述应变传感材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中mxene悬浮液制备方法为：将1.0-4.0g mxene粉末缓慢添加到包含20-60ml 7-9mol/l hcl和3.0-5.0g lif的混合溶液中后，在40℃下连续搅拌48h制备层状mxene；然后将所得溶液离心并...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄进，周燕，甘霖，夏涛，
申请(专利权)人：碳衡重庆生物质新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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