[發明專利]一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及制備方法

無效

• 申請號: 200810011976.3
• 申請日: 2008-06-24
• 公開（公告）號: CN101382484A
• 公開（公告）日: 2009-03-11
• 發明（設計）人: 曾尤;高飛;劉鵬飛;趙龍;趙金波;吳文棟;黃日勇;嚴麗妮
• 申請（專利權）人: 沈陽建筑大學
• 主分類號: G01N19/10
• 分類號: G01N19/10;G01B7/00
• 代理公司: 沈陽技聯專利代理有限公司
• 代理人: 王德榮

技術領域

本發明涉及一種智能材料及器件和制備方法，特別是涉及一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及器件和制備方法。

背景技術

對水分高度敏感的材料屬于濕敏元件，通常利用材料在不同含水量變化過程中其物理量(幾何尺寸、電學性質、光學性質、熱學性質)發生的變化來感知環境的濕度。其中利用濕脹干縮原理制造的毛發濕度計簡單方便，但尺寸變化小，需要輔助機械放大裝置等；利用吸水材料在含水量不同時具有不同紅外/紫外吸收譜圖、不同的吸熱/放熱現象而制備的濕敏器件，雖然精度較高、但普遍存在設備昂貴、測試復雜的缺點。目前應用最為廣泛的是以氯化鋰、碳、陶瓷、氧化鋁等為代表的濕敏元件，其在吸收水分后引起電阻、電容的變化，精度較高，是工業中最為常見的濕度測量儀器，但由于電阻變化不明顯，通常需要電流放大等輔助裝置。

水凝膠是一類具有親水基團的交聯網絡的高吸水性樹脂，其顯著的特點具有極強的吸水能力(高達幾百甚至上千倍)，同時能發生顯著的體積變化，被廣泛應用于個人衛生用品、工農業生產、土木建筑等各個領域。正由于其具有在不同含水量時顯著的體積變化，可以作為響應濕度變化的傳感器件的基體。通常，高吸水性樹脂在含水量變化過程中具有顯著的電學性能變化，從純干燥時的絕緣體變成高含水量時的半導體，在凝膠中添加的導電填料目的是使凝膠具有更高的濕態電導率。而且其電導率的變化范圍僅僅為0.85～1.4mS/cm(Cu添加的導電凝膠)，和4.5～2.0mS/cm(碳纖維/石墨/導電凝膠)，普遍存在電阻變化幅度小的缺點；而且均做成粉末狀試樣，吸水/脫水后的尺寸穩定性差，無法作為濕度傳感器得到實際應用。現有技術均沒有涉及其對響應環境變化過程中含水量不同時引起凝膠網絡伸縮變化，從而導致電學性能對含水量變化的突變現象。

發明內容

本發明的目的在于提供一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及器件和制備方法。該導電水凝膠復合材料由對濕度敏感的水凝膠、導電填料和助劑構成，該導電水凝膠復合材料及器件的制作方法分為導電填料分散、原位聚合、澆筑定型、電極修整四個步驟。制得的導電水凝膠復合材料及器件在響應環境水分變化過程中，可對外界濕度變化做出敏感的響應。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及器件和制備方法，該導電水凝膠復合材料及器件的其制備方法包括導電填料分散、原位聚合、澆筑定型和電極修整四個步驟；其中，導電填料分散過程是首先將水凝膠單體完全溶解在蒸餾水中，加入導電填料及少量表面活性劑，充分攪拌后，超聲分散2～4小時，使導電填料均勻分散于溶液中；原位聚合過程是加入用于水凝膠聚合的引發劑、交聯劑，攪拌均勻至完全溶解；澆筑定型是將混合均勻的溶液倒入預先鋪設好的含有電極和導線的容器中，密封并于室溫或升溫條件下發生交聯反應，待凝膠定型后取出嵌有電極和導線的已交聯的導電水凝膠復合材料，放入去離子水中浸泡清洗備用；電極修整是將制備好的導電水凝膠復合材料取出，并將凝膠包裹的導線電極清理干凈，以備測試時與萬用表等電學測試儀器相連。

如上所述的一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及器件，其原位聚合過程中加入的引發劑為過氧化苯甲醛、偶氮二異丁腈、過硫酸銨-四甲基乙二胺、過硫酸鉀-亞硫酸鈉；交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、醛類單體。

如上所述的一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及器件和制備方法，其導電水凝膠復合材料及器件包括對濕度敏感的水凝膠、導電填料和助劑，其中水凝膠為聚丙烯酸樹脂及其衍生物，或為聚乙烯醇樹脂及其衍生物，或為聚丙烯酰胺樹脂及其衍生物；導電填料為具有導電功能的纖維、薄片或顆粒粉末；助劑為有助于導電顆粒在水中分散的表面活性劑；器件通過對導電水凝膠復合材料電極修整制得。

如上所述的一種對濕度變化敏感的導電水凝膠復合材料及器件，其水凝膠在復合材料中的用量占總質量的80～99.5％；導電填料的用量占總質量的0.5％～20％；助劑用量占總質量的0.01％～1％。

本發明的優點與效果是：

1.本發明的導電水凝膠復合材料及器件在響應環境水分變化過程中，發生可逆的體積膨脹收縮，帶動內部導電疏運網絡的伸展和聚集，引起電阻的增加和降低，產生電阻變化明顯的電學信號，從而可以對外界濕度變化做出敏感的響應。

2.本發明可以根據使用環境的不同，進行結構和成分設計，得到具有不同響應速度、不同的電阻變化范圍的導電水凝膠復合材料及器件，具有極大的設計自由度。

3.本發明可根據實際需要設計其形狀；該制備過程不需要復雜的模具，不需要機械加工環節。