本发明属于柔性电子器件，具体涉及一种mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶及其制备方法和在柔性传感器中的应用。
背景技术：
1、水凝胶柔性应变传感器是一种受人体皮肤启发的电子器件，这种传感器通常贴合在人体或其他物体表面进行工作，因此要求其水凝胶敏感层具有高柔性和强度，以便能够适应各种复杂的形变和机械应力，同时保持稳定的电信号输出。sparks等人，基于海藻酸钠和聚丙烯酰胺的互穿网络制备了具有极高柔弹性的水凝胶，但是体系降低了聚丙烯酰胺网络的交联密度使得整个水凝胶系统中－凝胶的应力弛豫加剧，从而降低了水凝胶在应用中的强度。所制备的水凝胶传感器无法准确检测较大的形变，且无法承受高的应力，难以满足实际使用的要求。zhao等人制备了一种具有特殊的相互渗透和联锁网络结构的聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸-共丙烯酰胺)/细菌纤维素水凝胶。通过利用聚合物分子链上的氨基、酰胺、磺酸基和细菌纤维素上的多羟基之间的相互作用来实现高强度(1.28mpa)。但水凝胶的高强度通常伴随着较低的拉伸应变率，同时在应用测试中存在信号的稳定性弱以及无法承受循环载荷，更好地平衡凝胶中柔性与强度是一个亟待解决的问题。
2、同时研究者们为了进一步赋予dn水凝胶优异的导电性能，将导电材料如碳纳米管、石墨烯等引入水凝胶体系。其中，mxene作为一种新兴的二维过渡金属碳化物或氮化物材料，因其出色的导电性能和机械强度成为研究的热点。mxene表面富含的羟基、氧或氟等官能团，使得它在水凝胶中具有良好的分散性和与聚合物基质的相容性。当mxene作为导电填料加入水凝胶时，可以均匀地分散并与聚合物链交联，这不仅增强了水凝胶的机械强度，还提高了其耐用性和稳定性。dong等人，提出了一种mxene/tempo细菌纤维素(tobc)体系的双网络水凝胶。通过溶剂置换，水凝胶具有稳定的机械性能。大量的氢键、动态三维网络系统和胶束相互作用赋予了水凝胶优异的力学性能(断裂伸长率达2800％，断裂强度为420kpa)和极高的柔韧性。但应用测试过程中仍然表现出多次循环载荷下信号稳定性弱的问题，且灵敏度较低。这说明mxene在水凝胶中的过度堆叠也会影响传感器的力学性能和灵敏度，因此如何更加均匀地将mxene分散在水凝胶敏感层内，以提高传感器的性能同样值得研究。
3、现有导电水凝胶有限的强度和稳定性，大大限制了可穿戴传感设备领域的实际应用。急需找到一种新的具有高柔性、高强度、高稳定导电性，以及优异应变敏感性能的双网络水凝胶，并将其应用于柔性应变传感器，以实现对人体活动产生的各种应变信号进行准确检测，满足可穿戴设备和健康监测领域的实际需求。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶及其制备方法和在柔性传感器中的应用，以解决现有的导电水凝胶强度和稳定性有限的技术问题。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、本发明公开了一种mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，包括：将引发剂与交联剂溶解在第一份去离子水中，经第一次搅拌反应后，加入细菌纤维素溶液，经第二次搅拌反应后，加入第二份去离子水和mxene单层纳米片溶液，再加入丙二醇和丙烯酸单体溶液；经第三次搅拌反应后，置于模具中，密封，经聚合反应，冷却至室温后，脱模，得到mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶；
4、所述细菌纤维素溶液由去离子水加入细菌纤维素分散液中制得；
5、所述mxene单层纳米片溶液由mxene单层纳米片分散到去离子水中制得。
6、优选地，引发剂：交联剂：细菌纤维素分散液：mxene单层纳米片：丙二醇：丙烯酸单体溶液的用量比为(200～400)mg：(15～40)mg：(1.5～3)ml：(15～40)mg：(0.8～1.5)ml：(0.4～2)ml。
7、优选地，细菌纤维素溶液的制备方法包括：将每0.5～1.5ml的去离子水加入1.5～3ml浓度为200～800mg/ml的细菌纤维素分散液中，超声处理0.5～2h至溶液混合均匀，得到细菌纤维素溶液。
8、优选地，mxene单层纳米片溶液的制备方法包括：将每15～40mg的mxene单层纳米片分散到1～2ml的去离子水中，超声处理0.5～2h至分散均匀，得到mxene单层纳米片溶液；所述mxene单层纳米片由单层/少层ti3c2冻干粉末制得。
9、优选地，引发剂为过硫酸铵；交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
10、优选地，第一次搅拌反应的条件为：55～65℃下以500～1000rpm的转速机械搅拌30～60min。
11、优选地，第二次搅拌反应的时间为10～25min；所述第三次搅拌反应的条件为：以600～1000rpm的转速磁力搅拌10～25min。
12、优选地，聚合反应的条件为：55～65℃下聚合反应3～5h。
13、本发明还公开了上述制备方法制得的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶，在5％-620％的应变范围内保持gf＝0.3～1.28，响应时间为100～150ms；敏感性能经过2000次循环后保持稳定输出，拉伸应力为44.66～45.52kpa，抗拉强度为152～185kpa；断裂伸长率为720％～862％。
14、本发明还公开了上述制备方法制得的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶在柔性传感器中的应用。
15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16、本发明公开了一种mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，为了制备具有优异性能的柔性应变传感器所需的柔性好、强度高的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶，本发明采用一锅法将具有优异力学性能的细菌纤维素(bc)纳米结构与单片层mxene纳米片作为水凝胶的刚性第一网络骨架，以提高其力学性能。将丙二醇(pg)引入丙烯酸(aa)自由基聚合后得到的聚丙烯酸作为水凝胶的柔性第二网络基质，其中的大量羟基与水分子进行交联极大地增强了水凝胶的柔性。另外，刚性网络中的bc与柔性网络中的aa链段可形成稳定氢键以增强网络。单层ti3c2 mxene纳米片表面的官能团(羧基、羟基以及碳基等)与bc长纤微结构表面的羟基官能团形成氢键和配位键，保证其均匀分散到刚性网络中形成稳定的导电体系，使得水凝胶具有良好的导电性。当传感器受到应变作用时，基体产生形变导致mxene纳米片产生位置的滑移，从而大幅地提高水凝胶传感器的灵敏度，此外，其与柔性基质网络通过氢键相互作用，可以进一步提高水凝胶的力学性能。总之，通过简易的一锅法制备具有相互交联的“软”聚合物链和亲水的“硬”聚合物链组成的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶具有良好的韧性、高的机械强度以及稳定且优异的导电性能。将水凝胶封装后得到的柔性应变传感器粘贴在皮肤表面能够精确地跟踪人的运动，显示出其在运动监测、软体机器人等领域具有很大的潜在应用价值。
17、进一步地，细菌纤维素溶液的制备方法包括：将每0.5～1.5ml的去离子水加入1.5～3ml浓度为200～800mg/ml的细菌纤维素分散液中，超声处理0.5～2h至溶液混合均匀，得到细菌纤维素溶液；将去离子水加入细菌纤维素分散液中，水的黏度相对较低，有利于聚合过程中热量的散出，使得反应体系的温度容易控制。这有助于防止因局部温度过高而导致的水凝胶性能下降；在交联反应中，水分子与高分子链上的亲水基团相互作用，有助于形成水凝胶的三维网状结构。这种结构赋予了水凝胶优异的吸水性能和保水性能。
18、本发明还公开了上述制备方法制得的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶，该mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶是一种具有软、硬骨架以及三维致密蜂窝状晶格网络结构的高强韧、高稳定导电性双网络(dn)水凝胶；丙二醇(pg)引入丙烯酸(aa)自由基聚合后得到的聚丙烯酸作为水凝胶的柔性第二网络基质，其中的大量羟基与水分子进行交联极大地增强了水凝胶的柔性；单片层ti3c2 mxene纳米片表面的官能团(羧基、羟基以及碳基等)与bc长纤微结构表面的羟基官能团形成氢键和配位键，保证其均匀分散到刚性网络中形成稳定的导电体系，使得水凝胶传感器具备稳定的传感器特性。支撑单片层ti3c2 mxene纳米片均匀分散的硬性细菌纤维素(bc)链和掺杂丙二醇(pg)的柔性丙烯酸(aa)链之间的可逆交联协同作用使得水凝胶具有高机械强度和断裂伸长率(862％)。并且制备的水凝胶表现出优异的应变敏感性能，能够在极宽的应变(5％-620％)范围内保持高灵敏度(gf＝0.3～1.28)、迅速响应(100～150ms)和超强的稳定性(经过2000次循环后依然保持稳定输出)。基于水凝胶的柔性应变传感器可以准确地检测由人类活动产生的各种应变信号，有望用于可穿戴设备和健康监测。
19、本发明还公开了上述制备方法制得的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶在柔性传感器中的应用，该mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶在作为柔性传感器基材时，能够承受较大的形变而不破裂，保证了传感器的稳定性和耐用性。在应变作用下能够通过mxene纳米片的位置滑移来大幅提高灵敏度，实现了对微小应变的精确感知。能够捕捉并响应各种幅度的人体运动，从细微的手势到大幅度的肢体动作，都能实现准确监测。具有良好的抗疲劳性能和长期使用稳定性，这对于需要长期佩戴的可穿戴设备和持续健康监测应用来说至关重要。能够提供舒适的佩戴体验，同时确保传感器与皮肤之间的紧密接触，提高监测的准确性。在运动监测、软体机器人、人机交互、康复医疗以及个性化健康监测等领域展现出巨大的应用潜力，有望推动柔性传感器技术的进一步发展。
1.一种mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括：将引发剂与交联剂溶解在第一份去离子水中，经第一次搅拌反应后，加入细菌纤维素溶液，经第二次搅拌反应后，加入第二份去离子水和mxene单层纳米片溶液，再加入丙二醇和丙烯酸单体溶液；经第三次搅拌反应后，置于模具中，密封，经聚合反应，冷却至室温后，脱模，得到mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶；
2.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引发剂：交联剂：细菌纤维素分散液：mxene单层纳米片：丙二醇：丙烯酸单体溶液的用量比为(200～400)mg：(15～40)mg：(1.5～3)ml：(15～40)mg：(0.8～1.5)ml：(0.4～2)ml。
3.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素溶液的制备方法包括：将每0.5～1.5ml的去离子水加入1.5～3ml浓度为200～800mg/ml的细菌纤维素分散液中，超声处理0.5～2h至溶液混合均匀，得到细菌纤维素溶液。
4.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述mxene单层纳米片溶液的制备方法包括：将每15～40mg的mxene单层纳米片分散到1～2ml的去离子水中，超声处理0.5～2h至分散均匀，得到mxene单层纳米片溶液；所述mxene单层纳米片由单层/少层ti3c2冻干粉末制得。
5.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵；所述交联剂为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。
6.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述第一次搅拌反应的条件为：55～65℃下以500～1000rpm的转速机械搅拌30～60min。
7.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述第二次搅拌反应的时间为10～25min；所述第三次搅拌反应的条件为：以600～1000rpm的转速磁力搅拌10～25min。
8.根据权利要求1所述mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的条件为：55～65℃下聚合反应3～5h。
9.权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶，其特征在于，在5％-620％的应变范围内保持gf＝0.3～1.28，响应时间为100～150ms；敏感性能经过2000次循环后保持稳定输出，拉伸应力为44.66～45.52kpa，抗拉强度为152～185kpa；断裂伸长率为720％～862％。
10.权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的mxene/bc/pg-aa双网络导电水凝胶在柔性传感器中的应用。
