[发明专利]一种树枝状层状自组装柔性导电膜及其制备方法

说明书

一种树枝状层状自组装柔性导电膜及其制备方法。所述导电膜是由碳化钛、碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮的混合水溶液,在溶剂蒸发情况下诱导自组装形成的。该导电膜具有树枝状层状相结合的结构，具有高的空隙率和机械柔韧性。与纯碳化钛导电膜相比，该导电膜具有更大的抗弯曲性，该膜在弯曲半径为0.35mm时的电阻变化百分数(ΔR/R₀)仅为15.9％，而纯碳化钛在弯曲半径为9mm时电阻就变得无限大。与纯碳纳米管导电膜相比，该膜具有更加粗糙的表面，可以通过在天然橡胶基板的半球凸起上印刷该导电膜，使半球凸起面对面的接触来制备触觉传感器。这种基于溶液的自组装构建与MXene相关的复合材料的方法也可以应用于其他二维纳米材料。

技术领域

本发明属于柔性电子制造领域，特别涉及一种树枝状层状自组装柔性导电膜及其制备方法。

背景技术

MXene是一种新型的由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维纳米晶体材料的统称，此类材料具有类似石墨烯的二维结构，其化学式为M_nX_n，(n＝1、2、3，M为过渡金属元素，X为碳或氮元素)。MXene一般通过酸刻蚀层状陶瓷材料MAX相获得，例如，在HF水溶液中刻蚀Ti₃AlC₂，可以选择性地清除Al原子，生成碳化钛(Ti₃C₂), 而碳化钛的表面可能产生了一些末端O、OH或F原子。MXene具有优异的电学、力学、磁学等性能，近年来已被用作超级电容器，传感器，和导体的电极，在储能、电磁屏蔽以及光电化学催化等领域也得到广泛应用。

通常，由于MXene的片状结构，它们的分散体在溶液中干燥时，极易在范德华力作用下不可逆地形成无规聚集体或紧密堆积的薄片。这不利于MXene薄片之间的电子或质量的传输，并且所制备的大分子膜显示出低的柔韧性，在弯曲情况下容易破裂，严重影响了它们在不同领域应用时的宏观性能。

将基本构件自动组装到设计的结构中，在创建生物系统和合成材料方面发挥了关键作用。从分子到纳米材料的不同构建基块已自组装为分层结构，并显示出非凡的性能。然而，对于新发现的纳米材料，例如MXene，自组装行为在很大程度上是未知的。

由于油墨印刷技术是柔性电子产品的关键制造方法，因此，对于自组装MXene来制备高孔隙率大分子薄膜来说，非常需要一种无模板，基于溶液的制备方法。树状结构是生物系统中用于输送液体和营养的典型多孔结构，该结构已被用于制备柔性电极。到目前为止，还没有关于使用无模板，基于溶液的方法将树状结构用于MXenes自组装的报道。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的上述不足，针对现有技术的局限性以及特殊应用场景中的使用需求，提供一种树枝状层状自组装柔性导电膜及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种树枝状层状自组装柔性导电膜，所述导电膜是将碳化钛(MXene)、碳纳米管(CNT)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末按照质量比为0:1:2至32:1:2(优选16:1:2)溶解在水中,涂覆在基底上，在溶剂蒸发情况下诱导自组装形成的树枝状层状相结合的导电膜；该导电膜内部具有由一维的纤维状碳纳米管和二维的层状碳化钛相结合的树枝状层状结构，而表面具有由纳米级到微米级尺寸可调控的粗糙形貌，与纯碳化钛膜相比，随着碳纳米管的质量比增加，导电膜内部树枝状结构增加，空隙增大，与纯碳纳米管膜相比，随着碳化钛的质量比增加，导电膜内部层状结构增加，空隙减小，同时导电膜表面的粗糙形貌由纳米级增大到微米级，可提高触觉传感器的灵敏度。

所述导电膜可以根据碳化钛/碳纳米管/聚乙烯吡咯烷酮的质量比按照0:1:2、2:1:2、 8:1:2、16:1:2、32:1:2依次进行树枝状结构、树枝状层状相结合结构的调控。

所述导电膜上的树枝状层状结构能够在多种基底上形成，所述基底包括天然橡胶、热塑性聚氨酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚碳酸亚乙酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。