一种制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法

1.本发明涉及湿度传感器技术领域，特别涉及一种制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法。


背景技术：

2.湿度传感器是检测湿度变化的重要工具，广泛应用于我们的日常生活中。它还适用于人类呼吸的实时监测，因为它可以快速地将人类呼吸信号转换为视觉电信号，这大大方便了人们的生活。
3.随着现代工业技术的发展，全球环境问题日益凸显，人们对环境中污染成分的检测和治理技术更加关注。纳米二氧化钛(tio2)以其优异的光催化性能、气体敏感性能、不产生二次污染等优点，成为热门半导体材料之一。另外，由于多孔不规则形貌tio2纳米管具有大比表面积，表面形貌特殊，势必将为气敏性能的提升，带来更多的可能性。尤其在柔性器件迅速发展的当下，如何在保证纳米tio2材料特性的基础上获得柔性功能材料，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法。本发明的制造工艺方便，制得的湿度传感器柔性好，性能优秀。
5.本发明的技术方案：一种制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，将纳米纤维素悬浮液、碳纤维与纳米二氧化钛混合，超声分散后用聚偏二氟乙烯膜过滤器真空辅助过滤，得到二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶，然后将二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶压制干燥得到复合膜，最后通过离子溅射在复合膜上加工金叉指电极，形成柔性湿度传感器。
6.上述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述纳米二氧化钛的制备是将钛金属箔置入含有0.50-0.60wt％氟化铵和20-30wt％去离子水的乙二醇溶液中，在30v-50v下生长6-12小时，使得钛箔表面生长出白色的纳米二氧化钛。
7.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述纳米二氧化钛的制备是将钛金属箔置入含有0.55wt％氟化铵和25wt％去离子水的乙二醇溶液中，在40v下生长10小时，使得钛箔表面生长出白色的纳米二氧化钛。
8.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述的纳米纤维素悬浮液的制备是以纤维材料为原料，在质量浓度为40-60％的丙三醇水溶液中膨胀1-3小时后，通过酶水解进行预处理，然后连续洗涤和离心循环，得到预处理的纸浆，再将预处理的纸浆在高压微喷匀浆器中以25000psi超声处理了15分钟，获得最终的纳米纤维素悬浮液。
9.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述酶水解中的酶的浓度为10u/ml，酶是以9:1的浓度比将酶纤维素酶和木聚糖酶混合而成。
10.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述酶水解的温度为50℃，
水解时间为12小时。
11.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述超声分散是使用超声波处理器以50％-80％的振幅分散5分钟-10分钟。
12.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述纳米纤维素悬浮液的浓度为0.1wt％。
13.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶中二氧化钛的含量为6％。
14.前述的制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，所述二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶中碳纤维的含量为0.1-2％。
15.与现有技术相比，本发明将纳米纤维素悬浮液、碳纤维与纳米二氧化钛结合，利用纳米纤维素本身具有良好的生物相容性、可再生性、可生物降解性和机械性能，且纤维之间彼此交错连接，易形成便于离子和电子传输的多孔结构。另外，碳纤维具有良好的导电性，水分子形成的电荷可以在复合膜中高效迁移，提高传感器的灵敏度。由此本发明制备得到湿度传感器兼具了柔性的同时，具有良好的气敏性能。本发明的制造工艺方便，制得的湿度传感器柔性好，性能优秀，响应灵敏，在33％
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97％相对湿度范围内均表现出卓越的灵敏度值。另外，由于该传感器具有独特的多维结构，使其能具有较高的湿敏响应值的同时保持良好的响应恢复性能。
附图说明
16.图1是本发明的湿度传感器示意图；
17.图2是二氧化钛的sem图；
18.图3是图2中二氧化钛的放大图；
19.图4是二氧化钛纳米管吸附水分子的过程示意图；
20.图5是本发明制备的湿度传感器对不同湿度的响应曲线图；
21.图6是本发明制备的不同二氧化钛含量的湿度传感器对湿度的响应值变化图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
23.实施例1：一种制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，将纳米纤维素悬浮液(含0.1wt％的cnc，50ml)、碳纤维(1％)与纳米二氧化钛混合，超声分散后使用孔径为0.22微米聚偏二氟乙烯膜过滤器真空辅助过滤，得到二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶，然后将二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶压制干燥得到复合膜，最后通过离子溅射在复合膜上加工金叉指电极，如图1所示，形成柔性湿度传感器，图1中1表示复合膜中的纤维(包括纳米纤维素纤维与碳纤维)，2表示二氧化钛纳米管与纳米球，3表示电极。
24.实施例2：一种制备多维纳米高性能柔性湿度传感器的方法，按如下步骤进行：
25.步骤1、将钛金属箔(0.1mm-0.5mm)置入含有0.55wt％氟化铵和25wt％去离子水的乙二醇溶液中，在40v下生长10小时，使得钛箔表面生长出白色的纳米二氧化钛,采用刮刀将二氧化钛层轻轻剥离，得到纳米二氧化钛。
26.步骤2、以木浆、棉浆、竹浆等纤维材料为原料，在50％的丙三醇水溶液中膨胀2小时后，通过酶水解进行预处理。酶水解中的酶的浓度为10u/ml，酶是以9:1的浓度比将酶纤维素酶和木聚糖酶混合而成，酶水解的温度为50℃，水解时间为12小时，然后连续洗涤和离心循环，得到预处理的纸浆。之后，在高压微喷匀浆器中以25000psi超声处理了15分钟，获得最终的纳米纤维素悬浮液。
27.步骤3、用超纯水稀释得到的纳米纤维素悬浮液，浓度为0.1wt％。此后，将的纳米纤维素悬浮液(含0.1wt％的cnc，50ml)、碳纤维(1％)与步骤1中的纳米二氧化钛混合，并使用超声波处理器以50％-80％的振幅分散5分钟-1分钟。
28.步骤4、使用孔径为0.22微米的聚偏二氟乙烯膜过滤器，通过真空辅助过滤制备二氧化钛的含量为6％的二氧化钛-碳纤维-纳米纤维素凝胶，在其他实施例中二氧化钛的含量分别为1％/3％9％和12％。过滤后，将二氧化钛-纳米纤维素凝胶在实验室环境下被压制干燥，然后从滤膜上剥离下来。通过离子溅射在复合膜上加工金叉指电极，形成湿度传感器。
29.申请人采用电镜扫描镜对复合膜上的二氧化钛进行观察，得到如图2和图3所示的sem图。从图2及图3中可以看出，本技术中复合膜上的二氧化钛呈中空的纳米管，管口直径约100nm，而每一根纳米管又由平均直径80nm的小球堆叠形成，因此该纳米材料由0维的纳米球及1维的纳米管共同构成，具有多维纳米结构。图4表示了二氧化钛纳米管吸附水分子的过程(纳米管的中空结构和球形表面，给水分子提供了大量的吸附位点)，水分子的化学吸附过程导致二氧化钛氧空位缺陷从次表层迁移到表面，并引起水分子的解离，导致二氧化钛表面oh-基的形成。随着检测湿度的进一步升高，增强了水分子与oh-基团的结合，形成物理吸附层，载流子可以很容易地转移，湿度传感器的响应值进一步提升。图4说明了本发明形成的二氧化钛对水分子具有良好的感应能力，使得湿度感应灵敏。
30.进一步的，本技术利用实施例2制备得到的湿度传感器进行不同湿度的响应分析，得到如图5所示的湿度传感器对不同湿度的响应曲线图。从图5可以看出本发明制备的湿度传感器对不同湿度的动态响应曲线。图5显示了在暴露于低于50％rh的条件下，观察到湿度传感器的高灵敏度。当暴露于高湿度时，该传感器的灵敏度会迅速提高。当相对湿度增加到67％时，传感器的灵敏度比增加33％时增加了55倍。当相对湿度为97％时，传感器依然显示出良好的响应，灵敏度值接近2000，这表明该传感器对低湿度和高湿度均由有卓越的灵敏度。同时，从图5的动态响应曲线中可以计算传感器对不同湿度的响应恢复时间。传感器对43％湿度的响应及恢复时间分别为34s和18s，反应灵敏。再进一步地，本技术利用制备得到不同二氧化钛的含量的湿度传感器进行不同湿度的响应分析，得到如图6所示的不同二氧化钛含量的湿度传感器和相对湿度之间的拟合曲线图。从图6可以看出，本发明不同二氧化钛含量的湿度传感器均对湿度具有较好的响应性，其中优选浓度为6％的二氧化钛含量的湿度传感器具有最有的响应效果。
31.综上所述，本发明将纳米纤维素悬浮液、碳纤维与纳米二氧化钛结合，利用纳米纤维素本身具有良好的生物相容性、可再生性、可生物降解性和机械性能，且纤维之间彼此交错连接，易形成便于离子和电子传输的多孔结构。另外，碳纤维具有良好的导电性，水分子形成的电荷可以在复合膜中高效迁移，提高传感器的灵敏度。由此本发明制备得到湿度传感器兼具了柔性的同时，具有良好的气敏性能。本发明的制造工艺方便，制得的湿度传感器
柔性好，性能优秀，响应灵敏。