CN109752412A - 基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，该柔性湿度传感器包括基于柔性基底的电极层和湿敏聚合物薄膜，本发明以静电纺丝纳米纤维膜作为柔性基底，在其表面通过丝网印刷技术印刷导电材料，然后将具有湿敏功能的静电纺丝纳米纤维膜通过热压技术与电极层进行复合。具有操作简单、成本低等优点，所制备的基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器结构简单、形状和大小可随需求进行改变，对湿度的响应快以及具有良好的循环使用性，具有一定的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度传感器在科研、军事、农业、医疗器械等众多领域有着广泛地应用，但传统湿度传感器多为刚性材料，不具有柔性，因此很难适用于表面弯曲的触觉探测等，因此开发具备灵敏度高、灵活性强、柔性可穿戴等优点为一体的新型湿度传感器成为了研究热点。
在普通的柔性传感器件中，电极材料与柔性基底复合也是一个关键步骤，常规的光刻、蒸镀或旋涂等工艺将电极形成于基底上，存在制备工艺复杂的问题，极大地增加了器件制备过程的难度，难以实现快速大规模的制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器，其特征在于：包括基于柔性基底的电极层和湿敏聚合物薄膜，所述的柔性基底为静电纺丝纳米纤维膜。
本发明还公开了上述基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，包括下列步骤
S1：柔性基底的制备：配制疏水性高分子聚合物静电纺丝溶液，进行静电纺丝，得到一定厚度的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为柔性基底；
S2：电极层的制备：在步骤S1制备好的柔性基底上，即疏水性聚合物纳米纤维膜表面通过丝网印刷技术在其表面印刷导电材料，即为电极层；
S3：湿敏聚合物薄膜的制备：
S31:将湿敏材料与疏水性高分子聚合物共同加入到溶剂中，进行磁力搅拌，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液，其中，湿敏材料的掺杂比例为溶液总量的0.1wt％-5wt％，疏水性高分子聚合物添加量为1.0～3.5g，溶剂体积为5～20ml；
S32:将配好的掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液加入喷头，进行静电纺丝,得到纳米纤维膜；
S33:将步骤S32得到的纳米纤维膜进行烘干，使其溶剂得到充分挥发，最终得到，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为湿敏聚合物薄膜；
S4:组装：通过热压技术将电极层与湿敏聚合物薄膜复合到一起，即得。
作为优选，所述的步骤S2中导电材料为银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管中一种或者任意几种的混合物。
作为优选，所述的步骤S31中，湿敏材料为氯化锂、溴化锂、硅胶、铝胶、氯化钙、蒙脱石中一种或者任意几种的混合物。
作为优选，为了突出湿敏材料的吸湿性能，及对湿度反应的灵敏程度，选择的疏水性高分子聚合物为聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯弹性体、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等其中的一种或多种，或者将亲水材料进行疏水改性，所述的亲水材料为聚丙烯腈、聚酰胺66、聚酰胺6、聚乙烯醇、聚醚砜、壳聚糖、聚氧乙烯、聚乳酸或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种任意比例的混合物。
作为优选，所述步骤S31中,溶剂为四氢呋喃、三氟乙酸、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或甲苯中的一种或几种任意比例的混合物的溶液。
作为优选，所述步骤S31中,纺丝液的浓度10wt％～30wt％；磁力搅拌的时间为6h以上；所述步骤S32中的静电纺丝的参数为：电压10kV～30kV，纺丝液的推进速度为0.3～5mL/h，喷丝头到滚筒的接收距离为15cm～30cm，纺丝环境温度为20℃～45℃，周围环境相对湿度为30％～80％。
本发明将静电纺丝技术与丝网印刷技术相结合，制备了一款基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器，具有器件结构简单、形状及大小随意改变等优势，同时对湿度的响应快以及良好的循环使用性，具有一定的市场前景。
本发明制备工艺成熟，成本低，且可大规模生产。通过静电纺丝技术制备出的纳米纤维膜，具有良好的柔性，静电纺丝技术与丝网印刷技术相结合制备出的柔性电极，代替以往的金属电极，实现了可弯折性，扩展其应用范围。
附图说明
图1为基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的结构示意图；
图2为基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备流程图；
图3为PAN纳米纤维膜的SEM图；
图4为掺杂有氯化锂的PAN纳米纤维膜的SEM图；
图5为印刷电极图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
本实例以静电纺PAN、静电纺掺杂有氯化锂的PAN复合纳米纤维膜以及印刷碳纳米管为例进行说明。
图1为基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的结构示意图，该传感器由两层纳米纤维膜构成，在静电纺PAN纳米纤维膜柔性基底1上印刷银纳米颗粒导电材料2，作为电极层，掺杂有氯化锂的静电纺PAN纳米纤维膜3覆盖在电极层上。
图2为基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备流程图。如图所示，首先PAN纺丝溶液4通过静电纺丝技术得到静电纺PAN纳米纤维膜柔性基底1，掺杂有氯化锂的PAN纺丝液5通过静电纺丝技术得到掺杂有氯化锂的静电纺PAN纳米纤维膜3，作为湿敏聚合物薄膜，在静电纺PAN纳米纤维膜柔性基底1上，通过丝网印刷技术印刷银纳米颗粒导电材料2，作为电极层，最后将电极层和湿敏层通过热压技术将其进行复合，得到最终器件6。
实施例2：
一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，包括下列步骤:
S1：柔性基底的制备：配制聚偏氟乙烯静电纺丝溶液，进行静电纺丝，得到一定厚度的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为柔性基底；
S2：电极层的制备：在步骤S1制备好的柔性基底上，即疏水性聚合物纳米纤维膜表面通过丝网印刷技术在其表面印刷导电材料，即为电极层，导电材料为银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管中一种或者任意几种的混合物；
S3：湿敏聚合物薄膜的制备：
S31:将氯化锂与聚偏氟乙烯共同加入到四氢呋喃中，进行磁力搅拌，磁力搅拌的时间为6h以上，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液，其中，湿敏材料的掺杂比例为溶液总量的0.1wt％-5wt％，疏水性高分子聚合物添加量为1.0～3.5g，溶剂体积为5～20ml，纺丝液的浓度为10wt％～30wt％；
S32:将配好的掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液加入喷头，进行静电纺丝,静电纺丝的参数为：电压10kV～30kV，纺丝液的推进速度为0.3～5mL/h，喷丝头到滚筒的接收距离为15cm～30cm，纺丝环境温度为20℃～45℃，周围环境相对湿度为30％～80％，得到纳米纤维膜；
S33:将步骤S32得到的纳米纤维膜进行烘干，使其溶剂得到充分挥发，最终得到，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为湿敏聚合物薄膜；
S4:组装：通过热压技术将电极层与湿敏聚合物薄膜复合到一起，即得。
实施例3：
一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括下列步骤
S1：柔性基底的制备：配制聚对苯二甲酸乙二醇酯静电纺丝溶液，进行静电纺丝，得到一定厚度的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为柔性基底；
S2：电极层的制备：在步骤S1制备好的柔性基底上，即疏水性聚合物纳米纤维膜表面通过丝网印刷技术在其表面印刷导电材料，导电材料为银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管中一种或者任意几种的混合物,即为电极层；
S3：湿敏聚合物薄膜的制备：
S31:将氯化锂与聚对苯二甲酸乙二醇酯共同加入三氟乙酸中，进行磁力搅拌，磁力搅拌的时间为6h以上,得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液，纺丝液的浓度10wt％～30wt％,其中，氯化锂的掺杂比例为溶液总量的0.1wt％-5wt％，聚对苯二甲酸乙二醇酯添加量为1.0～3.5g，溶剂体积为5～20ml；
S32:将配好的掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液加入喷头，进行静电纺丝,得到纳米纤维膜,静电纺丝的参数为：电压10kV～30kV，纺丝液的推进速度为0.3～5mL/h，喷丝头到滚筒的接收距离为15cm～30cm，纺丝环境温度为20℃～45℃，周围环境相对湿度为30％～80％。
S33:将步骤S32得到的纳米纤维膜进行烘干，使其溶剂得到充分挥发，最终得到，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为湿敏聚合物薄膜；
S4:组装：通过热压技术将电极层与湿敏聚合物薄膜复合到一起，即得。
实施例4：
一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，包括下列步骤：
S1：柔性基底的制备：配制热塑性聚氨酯弹性体静电纺丝溶液，进行静电纺丝，得到一定厚度的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为柔性基底；
S2：电极层的制备：在步骤S1制备好的柔性基底上，即疏水性聚合物纳米纤维膜表面通过丝网印刷技术在其表面印刷导电材料，导电材料为银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管中一种或者任意几种的混合物，即为电极层；
S3：湿敏聚合物薄膜的制备：
S31:将湿敏材料与热塑性聚氨酯弹性体共同加入到溶剂中，进行磁力搅拌6h以上，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液，纺丝液的浓度10wt％～30wt％；其中，湿敏材料的掺杂比例为溶液总量的0.1wt％，热塑性聚氨酯弹性体为3.5g，溶剂体积为20ml，湿敏材料为氯化锂、溴化锂、硅胶、铝胶、氯化钙、蒙脱石中一种或者任意几种的混合物，溶剂为四氢呋喃、三氟乙酸、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或甲苯中的一种或几种任意比例的混合物的溶液；
S32:将配好的掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液加入喷头，进行静电纺丝,得到纳米纤维膜，静电纺丝的参数为：电压10kV～30kV，纺丝液的推进速度为0.3～5mL/h，喷丝头到滚筒的接收距离为15cm～30cm，纺丝环境温度为20℃～45℃，周围环境相对湿度为30％～80％；
S33:将步骤S32得到的纳米纤维膜进行烘干，使其溶剂得到充分挥发，最终得到，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为湿敏聚合物薄膜；
S4:组装：通过热压技术将电极层与湿敏聚合物薄膜复合到一起，即得。
Claims (7)
1.一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器，其特征在于：包括基于柔性基底的电极层和湿敏聚合物薄膜，所述的柔性基底为静电纺丝纳米纤维膜。
2.一种基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：包括下列步骤
S1：柔性基底的制备：配制疏水性高分子聚合物静电纺丝溶液，进行静电纺丝，得到一定厚度的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为柔性基底；
S2：电极层的制备：在步骤S1制备好的柔性基底上，即疏水性聚合物纳米纤维膜表面通过丝网印刷技术在其表面印刷导电材料，即为电极层；
S3：湿敏聚合物薄膜的制备：
S31:将湿敏材料与疏水性高分子聚合物共同加入到溶剂中，进行磁力搅拌，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液，其中，湿敏材料的掺杂比例为溶液总量的0.1wt％-5wt％，疏水性高分子聚合物添加量为1.0～3.5g，溶剂体积为5～20ml；
S32:将配好的掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纺丝溶液加入喷头，进行静电纺丝,得到纳米纤维膜；
S33:将步骤S32得到的纳米纤维膜进行烘干，使其溶剂得到充分挥发，最终得到，得到掺杂有湿敏材料的疏水性聚合物纳米纤维膜，即为湿敏聚合物薄膜；
S4:组装：通过热压技术将电极层与湿敏聚合物薄膜复合到一起，即得。
3.如权利要求2所述的基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中导电材料为银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管中一种或者任意几种的混合物。
4.如权利要求2所述的基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S31中，湿敏材料为氯化锂、溴化锂、硅胶、铝胶、氯化钙、蒙脱石中一种或者任意几种的混合物。
5.如权利要求2所述的基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述的疏水性高分子聚合物为聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯弹性体、聚偏氟乙烯、聚二甲基硅氧烷等其中的一种或多种；或者将亲水材料进行疏水改性，所述的亲水材料为聚丙烯腈、聚酰胺66、聚酰胺6、聚乙烯醇、聚醚砜、壳聚糖、聚氧乙烯、聚乳酸或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种任意比例的混合物。
6.权利要求2所述的基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S31中,溶剂为四氢呋喃、三氟乙酸、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或甲苯中的一种或几种任意比例的混合物的溶液。
7.如权利要求2所述的基于纳米纤维膜的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S31中,纺丝液的浓度10wt％～30wt％；磁力搅拌的时间为6h以上；所述步骤S32中的静电纺丝的参数为：电压10kV～30kV，纺丝液的推进速度为0.3～5mL/h，喷丝头到滚筒的接收距离为15cm～30cm，纺丝环境温度为20℃～45℃，周围环境相对湿度为30％～80％。
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