[发明专利]一种芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶及其制备方法，利用具有纳米尺度结构、高强度、大长径比和高耐温性的芳纶纳米纤维作为基体，以具有优异的导电性、良好的化学稳定性、独特的二维纳米薄膜结构的MXene作为导电与填充包覆材料，制备了具有低密度、高强度、高压缩回弹性的芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶。具体包括制备芳纶纳米纤维分散液、制备MXene分散液、制备芳纶纳米纤维/MXene复合分散液、制备凝胶状芳纶纳米纤维/MXene复合材料等步骤，得到芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶。本发明制备工艺简单易行，得到的芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶在压力传感、智能传感器、可穿戴设备等领域应用前景广阔。

技术领域

本发明属于聚合物纳米材料和应变传感器领域，具体涉及一种芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶由于具有高孔隙率、低密度、可控的三维多孔结构等特性，使其在吸附、隔热、储能等领域展示出广阔的应用前景。导电型气凝胶不仅具备上述气凝胶的优点，同时由于其优异的导电性能，使其在燃料电池、催化、超级电容器、传感器、可穿戴设备等领域具有极大的应用潜力。目前常规的导电型气凝胶大多为经过高温(1000℃)热解得到的碳基气凝胶，虽然其展现出优异的导电性能，但同时由于在制备过程中需要具备高温、高压或严格的无氧等苛刻条件，所以通常无法批量生产。此外，传统的碳基气凝胶由于高温热解处理往往展现出较低的机械性能、较大的脆性与较差的压缩回弹性。因此，当传统的碳基气凝胶应用于传感器时难以表现出高的灵敏度、快的响应性能、长的循环周期与使用寿命，无法满足压力传感器的应用要求。芳纶纳米纤维(Aramid Nanofibers,ANFs)具有独特的纳米尺度结构(直径3-30nm、长度最高可达10μm)、大的长径比和比表面积、同时又保留了芳纶纤维优异的力学性能和耐温性能，使其成为一种新型的极具潜力的构建宏观复合材料的“构筑单元”。申请号为201710263470.0的中国发明专利公开了一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，通过抽提、芳纶纳米纤维分散液的制备、制备芳纶纳米纤维水凝胶、真空抽滤和冷冻干燥等步骤得到了芳纶纳米纤维气凝胶，该气凝胶初始分解温度为500℃，具有较高的耐热性，可解决目前现有气凝胶耐热性差的问题，但是该芳纶纳米纤维气凝胶由于纤维本身的高度绝缘特性而无法导电。因此，Ren Guangyuan等人报道了一种利用芳纶纳米纤维在氮气氛围下经过1000℃热解3h得到一种氮掺杂的碳纳米纤维气凝胶，有望应用于燃料电池或金属-空气电池等领域(Guangyuan Ren,et al,Journal of Electroanalytical Chemistry,2018,829:177-183)。但是，该方法制备的碳纳米纤维气凝胶由于在高温热解处理使得本身强度较低的芳纶纳米纤维气凝胶强度更低、压缩回弹性更差。综上所述，同时，由于芳纶纳米纤维气凝胶自身高的孔隙结构，削弱了纤维之间强的氢键作用力，降低了气凝胶的机械性能与压缩回弹性，极大程度上限制了芳纶纳米纤维气凝在压敏传感器领域的应用。总而言之，目前未见有关导电型芳纶纳米纤维气凝胶的制备及其在传感器领域的应用方面的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶及其制备方法，以克服现有芳纶纳米纤维气凝胶不具有导电性、压缩回弹性差、无法应用于压力传感器等领域的应用的问题，本发明采用新工艺、新方法研发生产出具有低密度、高强度、高灵敏度与长循环稳定性与使用寿命的芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶，制备工艺简单可行，应用前景广阔。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶，所述芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶由芳纶纳米纤维与MXene组成，芳纶纳米纤维与MXene的质量比为(40～80):(60～20)；所述芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶的密度为20～40mg/cm³。

一种芳纶纳米纤维/MXene复合导电气凝胶的制备方法，包括以下步骤：