电阻/电容双响应的MXene基水凝胶柔性传感器制备

电阻/电容双响应的mxene基水凝胶柔性传感器制备
技术领域
1.本发明涉及柔性传感器领域，尤其涉及电阻/电容双响应的mxene基水凝胶柔性传感器制备。


背景技术：

2.柔性传感器因其便携性和弹性等特点，在软机器人、运动检测和健康医疗等领域受到广泛的应用。当前的水凝胶作为柔性传感器的材料，具有良好的柔性、优异的导电性、机械稳定性等特点。然而，现有的柔性传感器的功能往往比较单一。它们虽然都可以检测出电阻、电容或压电等信号，但是几乎全部都是以单一的响应信号模式存在，不仅信号灵敏度低而且响应信号模式单一，无法实现一些有较高精度要求的检测，例如人体的脉搏信号检测，这极大的阻碍了柔性传感器的应用范围。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供电阻/电容双响应的mxene基水凝胶柔性传感器制备,应用于人体生物信号的检测。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.电阻/电容双响应的mxene基水凝胶柔性传感器制备，所述水凝胶柔性传感器通过具有微结构的mxene基水凝胶和叉指电极之间通过水凝胶固有的粘性粘合组装而成。
6.所述具有微结构的mxene基水凝胶的制备包括以下步骤：
7.1)将丙烯酰胺单体、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和去离子水搅拌制备成聚丙烯酰胺(pam)溶液；
8.2)按体积比混合pam溶液、明胶溶液和mxene溶液，磁力搅拌溶解获得pgm混合溶液；
9.3)将pgm混合溶液和四甲基乙二胺混合加入到模具中，经热聚合交联得到具有微结构的mxene基水凝胶。
10.步骤1)中，搅拌时间为20～60min，转速为100～500rpm，搅拌温度为20～30℃；优选为30min、200rpm、25℃。
11.步骤1)中，所述pam溶液的质量浓度为400～450mg/ml；优选为430mg/ml。
12.步骤2)中，所述明胶溶液中明胶的质量百分比为1％～8％，优选为4％。
13.所述mxene溶液过渡金属碳化物或氮化物中的一种或多种形成的单一或混合分散液，优选为单层或少层的碳化钛分散液，质量浓度为1～20mg/ml，优选为13mg/ml，溶质为去离子水。
14.步骤2)中，所述pam溶液:明胶溶液:mxene溶液的体积比为10:4:(1～4)，优选为10:4:3。
15.步骤2)中，搅拌时间为10～30min，温度为20～30℃，转速为100～500rpm；优选为25℃，200rpm。
16.步骤3)中，所述四甲基乙二胺的体积为10～100ul，即pgm混合溶液和四甲基乙二胺的体积比为400:(1～10)，优选为400:5；所述热聚合交联温度为40～90℃，交联反应时间为3～10min；优选为80℃，10min。
17.步骤3)中，所述模具的微结构为直径0.4～2mm、高0.4～2mm的圆柱，圆柱之间的间距为0.4～2mm；优选为直径和高都为0.5mm的圆柱，圆柱之间的间距为0.5mm。
18.所述叉指电极的整体尺寸为直径为8～24mm的圆，电极宽度为0.4～0.6mm，电极间距为0.4～0.6mm；优选为直径为18mm的圆，电极宽度和间距都为0.4mm。
19.上述制备的水凝胶柔性传感器，拓宽水凝胶柔性传感器单一的响应信号方式，可同时具有电阻响应信号和电容响应信号。
20.所述水凝胶柔性传感器的应用，用于实现人体生物信号的高灵敏度检测，例如人体的颈动脉脉搏检测和桡动脉脉搏检测。
21.相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
22.1、区别于常见的单一功能的柔性传感器，本发明可以同时检测出电阻响应信号和电容响应信号，拓宽了水凝胶传感器在响应信号上的单一形式，为人体生物信号的识别(例如颈动脉和桡动脉的信号检测)提供了一种灵活性强、可控性高的方法。
23.2、相比于现有的柔性传感器，本发明具有更加优异的传感器性能，包括高电阻灵敏度(1.113kpa-1
)和电容灵敏度(14.117kpa-1
)、稳定的循环能力(4000圈循环)等。
24.3、本发明制备方法工艺简单，可大规模生产，为柔性可穿戴传感器的制备提供了新的思路。
附图说明
25.图1为所制备的mxene基水凝胶的sem(扫描电镜)正面图(放大倍数为2000倍)。
26.图2为pam/gelatin/mxene水凝胶(mxene基水凝胶)的ftir光谱图(傅里叶红外光谱)。
27.图3为mxene基水凝胶柔性传感器的示意图。
28.图4为pam、pam/gelatin/mxene(mxene基水凝胶)两种水凝胶在拉伸下的应力-应变曲线。
29.图5为mxene基水凝胶柔性传感器在不同压力下的实时电阻变化率。
30.图6为mxene基水凝胶柔性传感器在不同压力下的实时电容变化率。
31.图7为mxene基水凝胶柔性传感器在不同压力下的电阻式灵敏度。
32.图8为mxene基水凝胶柔性传感器在不同压力下的电容式灵敏度。
33.图9为mxene基水凝胶柔性传感器在0.23kpa压强下的循环测试。
34.图10为mxene基水凝胶柔性传感器贴在手腕皮肤上，测量人体桡动脉脉搏信号。
35.图11为mxene基水凝胶柔性传感器贴在颈部皮肤上，测量人体颈动脉脉搏信号。
具体实施方式
36.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
37.实施例1
38.一种具有微结构的mxene基水凝胶的制备方法：
39.(1)将30g丙烯酰胺单体溶于70ml的去离子水中，加入0.1g过硫酸铵，0.05gn,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺，经磁力搅拌(条件：温度25℃、转速200rpm、搅拌时间30min)均匀后获得pam溶液。
40.(2)配置质量百分比为4wt％的明胶溶液。
41.(3)取max相原材料(ti3alc2)，在hcl/lif混合溶液中刻蚀，先后经历稀盐酸、去离子水和无水乙醇冰浴超声和离心数次获得mxene分散液(单层或少层的ti3c2tx分散液，浓度为13mg/ml，溶质为去离子水)。
42.(4)按最优体积比(10:4:3)混合pam溶液、明胶溶液和mxene溶液，磁力搅拌溶解获得pgm混合溶液(磁力搅拌时间为10min，温度为25℃，转速为200rpm)。
43.(5)将10ml的pgm混合溶液和20ul的四甲基乙二胺混合加入到模具中(模具的微结构尺寸为直径0.5mm，高0.5mm的圆柱，圆柱之间的间距为0.5mm)，经热聚合交联(温度为80℃，交联反应时间为10min)得到具有微结构的mxene基水凝胶。
44.(6)具有微结构的mxene基水凝胶的表征测试如下：1)将所制备的mxene基水凝胶经过冷冻干燥后，利用sem(扫描电镜)观察mxene基水凝胶内部结构，如图1所示，为正面图(放大倍数为2000倍)，可以看出其具有多孔的网络结构；2)将所制备的mxene基水凝胶经过冷冻干燥后，利用ftir(傅里叶变换红外光谱仪)测试mxene基水凝胶的官能团信息，如图2所示，测试的范围为400～4000cm-1
，在3331.91cm-1
处观察到一个典型的吸收峰，对应于-oh的拉伸振动，属于mxene、聚丙烯酰胺和明胶。在3186.67cm-1
处的宽特征峰与聚丙烯酰胺中的n-h拉伸振动有关。1649.00cm-1
处的吸收峰对应于羰基拉伸振动(酰胺i)，1599.85cm-1
处的吸收峰对应于酰胺基的n-h弯曲振动(酰胺ii)。
45.实施例2
46.具有电阻/电容响应信号的mxene基水凝胶柔性传感器的制备及其应用：
47.(1)将具有微结构的mxene基水凝胶与叉指电极(叉指电极的整体尺寸为直径18mm的圆，电极宽度为0.4mm，电极间距为0.4mm)结合，通过mxene基水凝胶固有的粘性粘合组装成mxene基水凝胶柔性传感器，如图3所示为mxene基水凝胶柔性传感器的示意图。
48.(2)用微小拉力仪测试pam水凝胶和pam/gelatin/mxene水凝胶(mxene基水凝胶)在不同拉伸下的应力-应变曲线，如图4所示，相比于纯pam水凝胶(～600％的应变)，mxene基水凝胶具有更加优异的拉伸性能(～1600％的应变)。
49.(3)用微小拉力仪和lcr电桥仪测试mxene基水凝胶柔性传感器在不同压力下的实时电阻变化和电容变化，如图5和图6所示。为了评估mxene基水凝胶柔性传感器的压缩性能，将电容压力灵敏度sc定义为δ(δc/c0)/δp，其中δc是电容的变化，c0是原始电容，δp是施加压力的变化。类似地，电阻压力灵敏度sr被定义为δ(δr/r0)/δp，其中δr是电阻的变化，r0是原始电阻。根据图5和6的数据绘制出电容和电阻的灵敏度图，如图7和图8所示，显示出非常优异的电阻式灵敏度(1.113kpa-1
)，和电容式灵敏度(14.117kpa-1
)。此外，在0.23kpa的压强下下测试mxene基水凝胶柔性传感器的循环性能，如图9所示，体现出了mxene基水凝胶柔性传感器的具有非常优异的循环性能(4000圈循环)。
50.(4)用lcr电桥仪测试mxene基水凝胶柔性传感器测量人体生物信号(如图10所示，贴合人体颈部皮肤，测量颈动脉脉搏信号；如图11所示，贴合人体手腕皮肤，测量桡动脉脉
搏信号)。
51.二维(2d)碳化钛(ti3c2tx)是一种二维过渡金属碳化物和氮化物(mxene)，因其独特的金属导电性、丰富的亲水基团，赋予其良好的加工性，可以很好的作为二维导电填充材料应用于水凝胶中。明胶(gelatin)是一种通过水解动物的胶原蛋白而获得的蛋白质，并且是一种含有大量活性官能团的天然生物大分子。聚丙烯酰胺(pam)是一种高分子聚合物，由于其分子链中含有大量的酰胺基，使其容易形成氢键，易通过交联得到网状结构的多种改性物。
52.本发明通过聚丙烯酰胺、明胶和mxene制备具有微结构的水凝胶结合叉指电极制备出的水凝胶柔性传感器可以同时检测出电阻响应信号和电容响应信号。可以通过检测的电阻和电容信号，利用两种响应信号之间数据互补，拓宽柔性传感器单一的响应信号模式，实现对于同一组数据的相互校准，使得柔性传感器的检测精度得到提高。本发明将mxene基水凝胶柔性传感器应用于人体生物信号的检测，例如颈动脉脉搏检测和桡动脉脉搏检测。