[发明专利]一种流变特性高度可调的通用型MXene凝胶墨水、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种流变特性高度可调的通用型MXene凝胶墨水及其制备方法，包括如下步骤：向MXene分散液中加入适量阳离子溶液，获得具有微观三维结构的MXene水凝胶；将MXene水凝胶离心水洗得到MXene粘土；最后将MXene粘土分散在去离子水中，加入氢键缔合剂，搅拌均匀得到MXene凝胶墨水。所述MXene凝胶墨水以水为溶剂，是一种具有微观三维结构的MXene导电墨水。所制备的MXene凝胶墨水可通过简单地调控体系中的水含量以实现从凝胶到均质墨水的连续转变，用于印刷、涂层和3D打印等领域。

技术领域

本发明属于导电墨水及其印刷、涂层和3D打印领域，特别涉及一种流变特性高度可调的通用型MXene凝胶墨水、制备方法及其应用。

背景技术

作为新型功能性二维材料，MXene系列家族是由过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物组成，具有优异且可调的电子、光学和电化学特性，在储能、光电子学、电磁屏蔽、传感和催化等领域发挥着重要的作用。与其他二维材料相比，MXene具有较高的导电性、优异的亲水性和在水性溶剂中良好的分散性等特点，因此可直接作为环保性油墨并通过特定的打印与涂层技术设计多功能性MXene基微电子或柔性器件。

墨水的流变特性是决定所制备的MXene基墨水能否应用于特定的打印与涂层技术的关键性因素。对于直接利用MXene分散液的MXene墨水而言，低黏度和低粘弹性的特性限制了MXene墨水的实际应用范围。因此，对于不同的印刷、涂层和3D打印技术所需的MXene基墨水的流变特性的调控至关重要。有研究者提出通过提高MXene片层的局部浓度制备高浓度MXene墨水以提高MXene墨水的黏度及粘弹特性。然而，通过浓缩方式获得的高浓度MXene墨水对于流变特性的调控范围有限，并且在浓缩过程中不可避免会发生MXene片层的堆叠问题，由此带来的MXene 利用率降低，限制了MXene墨水的应用范围。

鉴于以上问题，本发明旨在提供一种通用型MXene凝胶墨水的制备方法，其利用三维组装方法构造三维微观结构以提高MXene片层利用率，并利用氢键强化网络，通过调控体系中的水含量来调控其流变特性，实现从凝胶到均质墨水的连续转变，可用于印刷、涂层和3D打印等领域。

发明内容

针对上述MXene墨水流变特性调控的局限性及在应用中MXene的团聚堆叠问题，本发明的目的在于提供一种流变特性高度可调的通用型 MXene凝胶墨水及其制备方法，本发明所制备的通用型MXene凝胶墨水具有三维微观结构，并且可以通过简单地调控体系内的水含量实现从凝胶到均质墨水的连续转变，用于不同的商业印刷、涂层和3D打印领域，极大的拓展了MXene墨水的应用范围。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种流变特性高度可调的通用型MXene凝胶墨水及其制备方法，所述通用型MXene凝胶墨水具有微观三维结构，其制备方法包括以下步骤：

第一步，向MXene分散液中加入适量阳离子溶液，通过静电作用，氢键作用或共价键合等作用力使MXene片组装为具有微观三维结构的 MXene水凝胶；其中作用力会由于加入阳离子的不同有所差异，例如，二价金属离子诱导形成的MXene水凝胶中存在金属离子与MXene片层间的共价键合和氢键作用，而酸溶液诱导形成的MXene水凝胶中水合质子与MXene片层间仅存在氢键作用。

第二步，离心水洗MXene水凝胶得到MXene粘土；

第三步，将MXene粘土分散在去离子水中，再加入氢键缔合剂，搅拌均匀得到MXene凝胶墨水；