基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器及其制备方法与流程

本发明柔性纺织传感器，特别涉及一种基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性传感器是一种能够在曲面上弯曲和变形的传感器。与传统的硬性传感器相比，柔性传感器由柔软的材料制成，可以适应不规则的形状和曲面，具有更大的柔性和可变形性。它们通常采用柔性材料(如橡胶、聚合物或织物)作为基底，并集成了一种或多种感应机制，例如压力、拉伸、弯曲或变形敏感材料。由于柔性传感器具有良好的延展性、可穿戴性强、可贴附在任意物体表面进行传感等特点，因此其应用领域较为广泛。然而由于柔性传感器的薄膜基底不具有透气性能，这就以薄膜为基底制备的柔性湿度传感器无法准确地检测和监测湿度水平。

2、聚乳酸作为一种生物可降解材料，来源广泛且便于加工，利用熔喷技术可将其制备成透气性较好的柔性非织造材料基底，目前通常在聚乳酸织物上负载采用2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐和甲基丙烯酸甲酯作为聚电解质作为柔性湿度传感器，该柔性湿度传感器利用聚电解质在湿度变化下的离子传导性能来实现湿度测量，但deb/mma聚电解质的传感器在低湿环境中因水分子的缺乏，导致传感器测量不够灵敏，且聚电解质长期处于高湿环境易溶解，导致此类柔性湿度传感器的湿敏性及稳定性不佳，因此如何将透气性较好的柔性非织造材料基底与湿敏性能好的聚电解质相结合是当下柔性湿度传感器领域亟需解决的重要问题。

技术实现思路

1、本方案提供了一种基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器及其制备方法，在复合湿敏聚电解质材料中加入pani以及gpe以改善deb/mma聚电解质的传感器的湿敏性以及稳定性，提高基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器的使用性能。

2、为实现以上目的，本方案提供了一种基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器的制备方法，包括：

3、制备deb-mma混合溶液：将2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐粉末同甲基丙烯酸甲酯溶液混合后得到deb-mma混合溶液；

4、制备复合湿敏聚电解质溶液：将粉末状的聚苯胺添加至deb-mma混合溶液中溶解得到复合湿敏聚电解质溶液，其中聚苯胺的质量分数为1％～5％；

5、熔喷纺丝：以聚乳酸为母粒进行熔喷纺丝得到聚乳酸熔喷非织造布；

6、丝网印刷：将石墨烯胶体通过丝网印刷技术在聚乳酸熔喷非织造布上进行图案印刷后进行室温干燥，其中石墨烯胶体的浓度为95％以上；

7、紫外固化交联：在复合湿敏聚电解质溶液中加入光引发剂和交联剂得到混合溶液，将干燥后的聚乳酸熔喷非织造布浸润在混合溶液中，光照混合溶液后使得复合湿敏聚电解质附着在聚乳酸熔喷非织造布上得到柔性湿度传感器。

8、在一些实施例中，粉末状的聚苯胺的制备步骤如下：

9、将苯胺单体和磺基水杨酸混合后溶解在去离子水中搅拌制备成溶液，往溶液中加入氧化剂搅拌后静置，取静置后的溶液进行抽滤和干燥得到粉末状的聚苯胺。

10、在将苯胺单体和磺基水杨酸混合后溶解在去离子水中搅拌制备成溶液步骤中，控制溶液的浓度为0.2mol/l，搅拌时间为30min。在静置步骤中，控制溶液静置12小时。在最后对静置后的溶液进行抽滤和干燥步骤中，干燥温度为60℃，时间为24h。

11、在一些实施例中，制备2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐粉末的步骤如下：

12、取甲基丙烯酸二甲氨乙酯、溴代正丁烷、对苯二酚溶解于丙酮溶液并进行加热和搅拌，对搅拌后的溶液进行抽滤得到2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐粉末，并对抽滤得到的2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐粉末进行洗涤和干燥，洗涤剂为丙酮和无水乙醇，干燥条件为真空环境。

13、在甲基丙烯酸二甲氨乙酯、溴代正丁烷、对苯二酚溶解于丙酮溶液并进行加热和搅拌步骤中，甲基丙烯酸二甲氨乙酯、溴代正丁烷、对苯二酚的摩尔浓度比为37：37：1。加热温度为40℃，搅拌时间为12h。

14、在制备deb-mma混合溶液步骤中，2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐与甲基丙烯酸甲酯的质量比为3-4：2-3。优选的，2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐与甲基丙烯酸甲酯的质量比为3：2。

15、在制备复合湿敏聚电解质溶液步骤中，聚苯胺以质量分数为1％～5％的范围区间同deb-mma混合溶液混合，当聚苯胺含量较低时，复合湿敏聚电解质溶液对应的复合聚电解质体系在低湿环境中与水分子发生质子交换传递不够；而当聚苯胺含量较高时，占据deb/mma聚电解质过多空间，在复合聚电解质体系中无法达到均匀化分散，导致在聚乳酸熔喷非织造布表面形成的聚电解质湿敏涂层连续性不佳。

16、在一些实施例中，聚苯胺的质量分数为3％时，柔性传感器的提升效果最佳，且聚苯胺的质量分数小于4％时，柔性湿度传感器的拉伸应力和应变均明显提升，当聚苯胺的质量分数为3％时，柔性湿度传感器的应变至少提升了3倍以上。

17、在“丝网印刷”步骤中，丝网印刷技术通过使用丝网作为印版，将墨液通过网孔传输到印刷材料上的方法，将石墨烯胶体通过丝网印刷技术在聚乳酸熔喷非织造布上进行图案印刷后进行室温干燥，室温干燥的时间为20-30h,优选为24h。通过丝网印刷加入石墨烯可有效提高柔性湿度传感器的动态循环稳定性。

18、在“紫外固化交联”步骤中，光引发剂的质量比为4-6％，优选为5％，光引发剂选用常见的光引发剂即可。在一些实施例中，本方案选用响应紫外光的光引发剂，则光照混合溶液时采用紫外光进行光照，光引发剂包括但不限于苯甲酰二硫化物、苯基丙酮、乙酰丙酮、苯甲酰胺、十二烷基二硫化碳、异丙基二硫化碳等。

19、在“紫外固化交联”步骤中，交联剂的质量比为14-16％，优选为15％，交联剂也选用常见的交联剂即可。通过紫外固化交联的方法形成gpe/pani/deb/mma复合聚电解质并将其负载在聚乳酸熔喷非织造布表面制备成柔性湿度传感器，经过石墨烯和聚苯胺增敏后的湿度传感器响应时间有所提升。

20、第二方面，本方案提供了一种根据上述基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器的制备方法制备得到的基于聚乳酸熔喷非织造布的柔性湿度传感器，包括：

21、表面附着有复合湿敏聚电解质的聚乳酸熔喷非织造布，所述复合湿敏聚电解质包括2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐、聚苯胺、甲基丙烯酸甲酯及石墨烯。

22、相较现有技术，本方案具有以下特点和有益效果：

23、本方案以透气性能好的聚乳酸作为柔性非织造材料基底，采用添加了聚苯胺(pani)、2-(二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯季铵盐(deb)、聚苯胺(pani)、甲基丙烯酸甲酯(mma)及石墨烯(gpe)的复合湿敏聚电解质材料作为湿敏性能好的聚电解质制备得到一种透气性能佳、稳定性好的柔性湿度传感器。聚苯胺是一种共轭高分子聚合物，其可以同水分子发生质子交换传递进而实现对环境湿度的响应，进而提到了deb/mma聚电解质的湿敏性且可保护dem/mma聚电解质在高湿环境下稳定性；另外，本方案还引入了导电性能佳的石墨烯作为传感器的导电涂层，石墨烯gpe的特殊晶体结构使其具有优异的物化性能，其电子迁移率高达2×105cm2/(v·s)，加入pani/deb/mma中可以有效提高导电稳定性。