CN112754464A - 一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用。该传感器包括柔性电极层、柔性力敏传感层和柔性封装层，其中柔性力敏传感层为MXene/织物的复合材料。该传感器具有高灵敏度、对外界压力变化的快速响应、较好的柔性、较好的生物相容性、较好的稳定性和耐久性，可用于监测人体的呼吸频率，在健康领域具有广泛的应用前景。

Description

一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用
技术领域
本发明属于力敏传感器的应用领域，特别涉及一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用。
背景技术
柔性传感器是采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、甚至可实现自由弯曲或折叠，且结构形式灵活多样，可根据测量条件与测试物体的要求布置，弥补了刚性传感器的不足，能够有效快速地进行检测。新型柔性传感器在电子皮肤、医疗保健、电子产品、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用。
柔性可穿戴力敏传感器主要由导电网络和柔性基底组合而成。近年来，纳米材料因其优异的机械柔韧性和导电性而被广泛应用于柔性力敏传感器的制备中，如金属纳米颗粒、碳纳米管、金属纳米线、聚合物纳米纤维、石墨烯等。MXene是一种比表面积大、亲水性好、电导率高的二维层状纳米材料，广泛应用于电化学储能、透明电极材料、纳米复合材料等领域。尽管多层MXene复合网格具有大的比表面积和强的导电性，但它们很少被用于制造柔性力敏传感器。
目前的新冠病毒疫情，让人们越来越重视个人的防护工作，防护口罩在人们日常生活中的地位越来越重要。尤其在人较多的公共场合，口罩是必不可少，带上口罩可以大大降低感染或传播新冠病毒的风险。但是长时间佩戴口罩必有不适，在缺氧的环境下，人体的呼吸可能会变得急促，有可能会发生窒息的危险。因此，开发具有监测人体呼吸频率功能的防护工具对于新型柔性可穿戴传感器的发展具有实际研究意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用，以填补现有技术的空白。
本发明提供一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用。
所述三明治结构的MXene/织物基传感器用于带有气阀的口罩。具体为：将三明治结构的MXene/织物基传感器固定于口罩的气阀处。
所述三明治结构的MXene/织物基传感器包括柔性电极层、柔性力敏传感层和柔性封装层，其中柔性力敏传感层为MXene/织物的复合材料。
所述柔性电极层为丝网印刷在柔性基底上的叉指电极。
所述柔性封装层为绝缘胶带。
所述柔性基底为无纺布、尼龙、纯棉布、涤纶中的一种。
所述柔性电极层的电极材料为导电油墨、导电银浆、导电炭黑中的一种。
所述绝缘胶带为VHB胶带或PI胶带。
所述三明治结构的MXene/织物基传感器的制备方法包括以下步骤：(1)将织物放入MXene分散液中浸渍，干燥，得到MXene导电织物；(2)将步骤(1)中MXene导电织物与柔性叉指电极上下叠加，叉指电极面与MXene导电织物接触，叉指电极的两端用银丝连出并用导电银浆固定，使用绝缘胶带固定成三明治结构，封装，即得。
所述步骤(1)中织物为无纺布、尼龙、纯棉布、涤纶中的一种。
所述步骤(1)中MXene分散液的制备方法包括：将MAX相(Ti3AlC2)加入到超纯水、盐酸和氢氟酸的刻蚀液中，刻蚀，第一次离心，将得到的沉淀在去离子水中分散，第二次离心，取上层分散液，即得，其中超纯水、盐酸、氢氟酸与MAX相的质量比为4.0～9.0:10.0～18.0:1.0～3.0:0.5～1.0。
所述第一次离心为：多次离心至上清液的pH接近7，多次离心的速度为3500～4000r/min，离心时间为每次3～7min。
所述刻蚀温度为25～35℃，刻蚀时间为24～30h，刻蚀过程中搅拌速率为400～1000r/min。
所述第二次离心速度为3500～4000r/min，离心时间为1～5min。
本发明中柔性力敏传感层的活性传感材料为MXene。
有益效果
(1)本发明的基于MXene的呼吸频率检测传感器材料具有高灵敏度、对外界压力变化的快速响应、较好的柔性、较好的生物相容性、较好的稳定性和耐久性，可用于监测人体的呼吸频率，在健康领域具有广泛的应用前景；
(2)本发明简单、无毒无害、低成本，为呼吸频率检测提供了一种低成本，可便携的方法。
附图说明
图1为实施例1中传感器呼吸频率测试的时间-电流曲线图。
图2为实施例1-2中所制备的MXene的XRD图。
图3为实施例1中柔性叉指电极SEM图。
图4为实施例1中柔性叉指电极实物图。
图5为实施例1-2中纯棉织物(a、c)和MXene/纯棉的柔性力敏传感层(b、d)不同放大倍数的SEM图。
图6为实施例1-2中的一种三明治结构的MXene/织物基呼吸监测传感器结构及制备流程图。
图7为实施例1中MXene/织物基呼吸监测传感器的灵敏度图。
图8为实施例2中MXene/织物基呼吸监测传感器的灵敏度图
图9为实施例2中传感器呼吸频率测试的时间-电流曲线图。
图10为实施例2中柔性叉指电极SEM图。
图11为实施例2中柔性叉指电极实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)MXene的制备过程：
将质量为5.0g、12g、2.5g的超纯水、盐酸、HF依次加入试剂瓶得到刻蚀液并充分搅拌，然后少量多次地加入1g MAX相Ti3AlC2粉末持续搅拌刻蚀，持续搅拌24h至刻蚀完全。在3500r/min下多次离心进行洗涤，直至上清液pH接近7。然后将所得沉淀在去离子水中充分分散，在3500r/min下离心5min收集上层黑色液体，即为MXene分散液。图2为本实施例所制备的MXene的XRD图，可以看出MXene是刻蚀完全的。
(2)柔性叉指电极的制备过程：
将尼龙放置于丝网板之下，将两者固定好。在丝网板上倒入一定的导电银浆，使用刮刀在丝网板上的导电银浆处施加一定的压力，同时朝丝网板的另一侧移动，导电银浆在运动的过程中被刮刀从电路部分的网孔中挤压到尼龙柔性基底上，即得到清晰的电路，从而获得柔性叉指电极，其显微结构如图3所示，实物图如图4所示。
(3)MXene/纯棉的柔性力敏传感层的制备：
将尺寸为3*3cm大小的纯棉织物放入盛有步骤(1)中得到的MXene水分散液(18mg/ml)培养皿中，浸渍2h后冷风干燥。
(4)重复步骤(3)3次，得到附着均匀的MXene/纯棉的柔性力敏传感层，表面形貌如图5所示，可以看出纯棉纤维的表面光滑，而MXene/纯棉复合织物其纤维表面有褶皱，表面有片层的MXene包覆在纤维表面。
(5)基于MXene的呼吸频率检测传感器的制备：
将步骤(2)中得到的柔性叉指电极，与步骤(4)得到的MXene/纯棉的柔性力敏传感层，叉指电极两端用银丝连出，并用导电银浆固定，最后使用VHB胶带封装，流程图如图6所示，得到基于MXene的呼吸频率检测传感器。
(7)基于MXene的呼吸频率检测传感器的应用，图7为该传感器的灵敏度，灵敏度的计算公式是S＝(ΔI/I0)/ΔP，其中ΔI是负载压力后与初始电流的变化值，I0是初始电流值，ΔP是压力差值。将该传感器放置于口罩的气阀处，将该传感器置于口罩的通气阀处，通过呼气吸气能得到响应的时间电流曲线，如图1曲线的峰值较为稳定，从而推算出人体每分钟的呼吸频率次数。
图7表明：柔性力敏传感器的灵敏度由三个区域组成：S1在低压范围(347～1248Pa)，S2在压力范围1477～3082kPa，S3在压力范围3.5～7.6kPa，S4在压力范围8.6～17.1kPa相应的S1、S2、S3和S4的敏感系数分别为1.287、10.025、18.023和5.367kPa-1。
实施例2
根据实施例1，将实施例1柔性叉指电极的制备过程中尼龙修改为纯棉，其余均与实施例1相同，得到基于MXene的呼吸频率检测，其灵敏度如图8所示，灵敏度由S1、S2两个区域组成，分别为0.339kPa-1和0.514kPa-1，将该传感器放置于口罩的气阀处，在普通状态下进行呼吸和在运动过后的状态下进行呼吸，得到响应的时间电流曲线，如图9所示，从而推算出人体每分钟的呼吸频率次数。
图10是叉指电极在纯棉织物上SEM图，图11是实物图，表明丝网印刷电极在纯棉织物上的结合不好，电极容易脱落。

Claims (10)

1.一种三明治结构的MXene/织物基传感器在呼吸监测中的应用。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述三明治结构的MXene/织物基传感器用于带有气阀的口罩。
3.根据权利要求1或2所述应用，其特征在于，所述三明治结构的MXene/织物基传感器包括柔性电极层、柔性力敏传感层和柔性封装层，其中柔性力敏传感层为MXene/织物的复合材料。
4.根据权利要求3所述应用，其特征在于，所述柔性电极层为丝网印刷在柔性基底上的叉指电极；柔性封装层为绝缘胶带。
5.根据权利要求4所述应用，其特征在于，所述柔性基底为无纺布、尼龙、纯棉布、涤纶中的一种；柔性电极层的电极材料为导电油墨、导电银浆、导电炭黑中的一种。
6.根据权利要求4所述应用，其特征在于，所述绝缘胶带为VHB胶带或PI胶带。
7.根据权利要求1或2所述应用，其特征在于，所述三明治结构的MXene/织物基传感器的制备方法包括以下步骤：(1)将织物放入MXene分散液中浸渍，干燥，得到MXene导电织物；(2)将步骤(1)中MXene导电织物与柔性叉指电极上下叠加，叉指电极面与MXene导电织物接触，叉指电极的两端用银丝连出并用导电银浆固定，使用绝缘胶带固定成三明治结构，封装，即得。
8.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述步骤(1)中织物为无纺布、尼龙、纯棉布、涤纶中的一种。
9.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述步骤(1)中MXene分散液的制备方法包括：将MAX相加入到超纯水、盐酸和氢氟酸的刻蚀液中，刻蚀，第一次离心，将得到的沉淀在去离子水中分散，第二次离心，取上层分散液，即得，其中超纯水、盐酸、氢氟酸与MAX相的质量比为4.0～9.0:10.0～18.0:1.0～3.0:0.5～1.0。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述刻蚀温度为25～35℃，刻蚀时间为24～30h；搅拌时间为1～2h。
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