[發(fā)明專利]一種濕敏開關(guān)柔性傳感材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410582149.5
• 申請(qǐng)日: 2014-10-27
• 公開（公告）號(hào): CN104356567B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許福軍;李維;劉瑋;邱夷平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號(hào): C08L29/04
• 分類號(hào): C08L29/04;C08K7/24
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于碳納米管/聚乙烯醇(CNT/PVA)復(fù)合紗線的柔性濕敏開關(guān)傳感材料的制備方法。

背景技術(shù)

濕度對(duì)人們的生活、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及動(dòng)植物的生長有著密切的關(guān)系。電阻式濕度傳感器是利用濕度敏感材料直接吸附大氣中的水分子，使得材料的電學(xué)性質(zhì)等發(fā)生變化，通過檢測(cè)敏感元件的電阻輸出信號(hào)以測(cè)量環(huán)境中濕度變化。

目前人們對(duì)基于碳納米管的濕度傳感器已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，制作了不同類型的碳納米管濕度傳感器，其中電阻式是目前研究最多的一種碳納米管濕度傳感器。目前大多數(shù)相關(guān)研究集中在提高傳感器更廣的傳感區(qū)域，即傳感器的電阻變化隨著濕度呈線性。較少研究者關(guān)注濕敏開關(guān)傳感器，即在環(huán)境到達(dá)某一特定濕度之前，傳感器電阻幾乎保持恒定，而當(dāng)環(huán)境到達(dá)特定濕度點(diǎn)后，傳感器的電阻急劇升高。這種濕敏開關(guān)傳感器可以用于監(jiān)測(cè)和控制不同領(lǐng)域的大氣濕度，如倉庫儲(chǔ)存、溫室大棚、電子產(chǎn)品生產(chǎn)等，其核心是導(dǎo)電材料與在高濕度下具有溶脹作用的高聚物基質(zhì)。

目前所使用的濕敏開關(guān)傳感器多用炭黑(CB)粒子或多壁碳納米管粉末作為導(dǎo)電顆粒，與溶脹聚合物形成濕敏感膜，并將濕敏感膜復(fù)合在置有叉指電極片的陶瓷片上，通過測(cè)量叉指電極片的電阻獲得對(duì)應(yīng)的濕度值。這種傳感器制作過程復(fù)雜，需要金屬片、陶瓷基等硬質(zhì)材料，不能全方位與監(jiān)測(cè)環(huán)境接觸，且在高濕度條件下測(cè)量結(jié)果并不理想，需要進(jìn)一步研究提高。

本發(fā)明所采用的碳納米管紗線具有很好的導(dǎo)電性能，而聚乙烯醇具有親水性，且在高濕度條件下具有溶脹作用，因此制備的CNT/PVA復(fù)合紗線是一種很有潛力的柔性濕敏開關(guān)傳感材料，可用于工業(yè)生產(chǎn)、倉庫儲(chǔ)存、溫室種植等對(duì)較高濕度條件有嚴(yán)格限制的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種柔性的濕敏開關(guān)傳感材料的制作方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，滿足生產(chǎn)和某些領(lǐng)域發(fā)展的需要。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種濕敏開關(guān)柔性傳感材料的制備方法，其特征在于，具體步驟包括：配制至少一種聚合物溶液；將聚合物溶液倒入至少一個(gè)復(fù)合槽中，對(duì)復(fù)合槽進(jìn)行水浴加熱，將碳納米管紗線或碳納米管膜從卷紗輥上繞出，通過導(dǎo)紗針引導(dǎo)，進(jìn)入復(fù)合槽進(jìn)行復(fù)合；復(fù)合后，經(jīng)過導(dǎo)紗針的壓漿處理及引導(dǎo)，進(jìn)入加熱區(qū)域進(jìn)行烘干，使聚合物在碳納米管纖維表面及內(nèi)部固化，得到濕敏開關(guān)柔性傳感材料，將其卷繞在與電機(jī)相連的線軸上。

優(yōu)選地，所述的聚合物包括在相對(duì)濕度為75％-100％的條件下具有溶脹作用的聚合物。更優(yōu)選地，所述的聚合物包括聚乙烯醇、聚丙烯酸和羥乙基纖維素中的至少一種。

優(yōu)選地，所述的聚合物還包括用于增強(qiáng)或保護(hù)的聚合物。更優(yōu)選地，所述的用于增強(qiáng)或保護(hù)的聚合物為聚丙烯腈、聚氨酯、尼龍和聚酯中的至少一種。

優(yōu)選地，所述的聚合物溶液的溶劑為水、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲酰胺、甲酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲醇和乙醇中的至少一種。

優(yōu)選地，所述的聚合物溶液的濃度為1％-10％。聚合物溶液的濃度為1％-10％時(shí)進(jìn)入碳納米管紗線內(nèi)部的聚合物最多。為了減小復(fù)合后紗線的直徑，在配制聚合物溶液時(shí)可適當(dāng)加入一些揮發(fā)性溶劑，如酒精、丙酮等。

優(yōu)選地，所述的水浴溫度在30℃至80℃，碳納米管紗線或碳納米管膜在復(fù)合槽中的停留時(shí)間為20s-1200s。水浴溫度與碳納米管紗線或碳納米管膜在復(fù)合槽中的停留時(shí)間相互配合，以達(dá)到最佳復(fù)合效果。通過水浴溫度控制復(fù)合槽中溶液的溫度，以保證復(fù)合紗線中聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定。

優(yōu)選地，所述的卷紗輥與電機(jī)相連，所述的與卷紗輥所連的電機(jī)與線軸相連的電機(jī)保持相同的速度，以控制紗線在復(fù)合過程中的張力恒定。

優(yōu)選地，所述的碳納米管紗線或碳納米管膜從卷紗輥上繞出的速度為1mm/min至60mm/min。

優(yōu)選地，所述的加熱區(qū)域中設(shè)有加熱裝置，所述的加熱裝置距離卷繞輥表面1-5厘米，加熱溫度為60-100℃。

優(yōu)選地，所述的濕敏開關(guān)柔性傳感材料中聚合物的質(zhì)量百分比含量在5％至70％之間，且在長度方向上復(fù)合紗線的聚合物質(zhì)量百分比恒定。其可通過調(diào)節(jié)碳納米管紗線捻度、聚合物溶液濃度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

優(yōu)選地，所述的碳納米管紗線或薄膜既可以通過化學(xué)氣相沉積法制備，也可以通過濕法紡絲法等其它方法制備。

優(yōu)選地，所述的聚合物溶液中加入有金屬離子。聚合物溶液中可適當(dāng)?shù)募尤虢饘匐x子以提高復(fù)合纖維的導(dǎo)電性。