一种光热双刺激响应型纤维状传感器件及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种光热双刺激响应型纤维状传感器件及其制备和应用。该传感器件包括：以纤维基底为芯、半导体功能层为皮的皮芯结构纤维，皮芯结构纤维两侧设置的电极，以及最外层的聚合物包覆层。该方法包括：将五氧化二钒纳米线分散液滴入盐溶液中形成纳米线絮凝体，通过捻转编织线使纳米线絮凝体缠绕组装在基底上，除去水分，得到皮芯结构纤维；在皮芯结构纤维两侧放置电极，然后通过挤出制备聚合物包覆层。该方法解决了功能纤维电阻随长度的增长而增大的问题，有利于功能纤维的长程制备。

Preparation and application of a fiber sensor with photothermal double spike response

【技术实现步骤摘要】
一种光热双刺激响应型纤维状传感器件及其制备和应用
本专利技术属于智能纤维材料及其制备和应用领域，特别涉及一种光热双刺激响应型纤维状传感器件及其制备方法和应用。
技术介绍
智能纤维，是指能够感知环境变化或刺激(如光、电、力、湿度、温度、pH等)并能够对此做出响应的纤维，是智能可穿戴系统的重要组成结构单元。在面对人机交互等复杂环境下，智能纤维如何实现多重刺激响应依然是一个重大的挑战，也是多功能智能可穿戴系统发展的重点研究对象。一维纳米半导体材料(纳米线、纳米带、纳米棒等)具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等，同时由于其丰富的力学、电学、光学特性，在能源、传感等领域中都有广泛的应用。通过在纤维基底上生长或包裹纳米材料功能层是制备纤维状响应性器件的方法之一，例如中国专利CN201810252172.6采用原子层沉积、液相激光烧蚀与溶剂热法相结合的方式，通过以柔性纤维状细金属丝为基底，制备了纤维状紫外光探测器。但此类方法目前还存在着一些问题：(1)在纤维基底上负载纳米线或纳米棒通常采用水热或者溶剂热的方法，反应条件需要高温高压，反应条件不温和；(2)通过水热或溶剂热法，无法做到纤维的长程制备；(3)通常得到的纤维状传感器件结构为皮芯结构，纤维的电阻随长度增加而增大，在智能服装应用上存在着障碍。五氧化二钒是一种过渡金属氧化物，在传感、能源等领域中被广泛应用，是在现代社会发展中具有重要影响力的半导体材料。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种光热双刺激响应型纤维状传感器件及其制备和应用，以克服现有技术中智能纤维中纳米线不能均匀负载在纤维基底上等缺陷。本专利技术提供一种光热双刺激响应型纤维状传感器件，所述传感器件包括：以纤维基底为芯、半导体功能层为皮的皮芯结构纤维，皮芯结构纤维两侧设置的电极，以及最外层的聚合物包覆层；其中半导体功能层为五氧化二钒纳米线，皮芯结构纤维是将五氧化二钒纳米线在盐溶液中形成纳米线絮凝体，然后通过捻转纤维基底使得纳米线絮凝体缠绕组装到基底上得到。所述纤维基底为编织线，直径为0.2～0.4mm。所述编织线为棉线、芳纶线或尼龙线。所述半导体功能层厚度为5～20μm。所述五氧化二钒纳米线直径为30～100nm，长度为0.1～6mm。所述皮芯结构纤维两侧设置的电极平行排列。所述电极为金属铜丝，直径为100μm。所述聚合物包覆层为聚氯乙烯，厚度为0.15～0.25mm。本专利技术还提供一种光热双刺激响应型纤维状传感器件的制备方法，包括：(1)将五氧化二钒纳米线分散于水中，超声处理，得到五氧化二钒纳米线分散液；(2)将步骤(1)中五氧化二钒纳米线分散液滴入盐溶液中形成纳米线絮凝体，以编织线为基底，通过捻转编织线使得到的纳米线絮凝体缠绕组装在基底上，除去水分，得到皮芯结构纤维；(3)在步骤(2)中皮芯结构纤维两侧放置电极，然后通过挤出制备聚合物包覆层，得到光热双刺激响应型纤维状传感器件。所述步骤(1)中五氧化二钒纳米线的制备方法包括：将五氧化二钒颗粒与过氧化氢和水的混合溶剂混合，搅拌，200～230℃水热反应72～120h，得到尺度均一的五氧化二钒纳米线，其中五氧化二钒与过氧化氢的摩尔比为1:0.25～0.35，过氧化氢与水的体积比为1:5～8。所述过氧化氢的体积分数为30％。所述搅拌时间为0.5～1.5h。所述步骤(1)中超声处理时间为0.3～2min。所述步骤(2)中将步骤(1)中五氧化二钒纳米线分散液滴入盐溶液中形成纳米线絮凝体为：将步骤(1)中五氧化二钒纳米线均匀分散液缓慢滴入盛有盐溶液(浓度为0.1～3mol/L)的方形容器中，由于纳米线本身带有某种电荷，与溶液中带有相反电荷的离子结合后发生聚集，宏观上表现为形成絮凝体，其中五氧化二钒纳米线均匀分散液与盐溶液的体积比为1：10-30。所述步骤(2)中盐为氯化钠、氯化钾、氯化镁或氯化钙。所述步骤(2)中盐溶液浓度为0.1～3mol/L。所述步骤(2)中除去水分是采用加热，加热温度为60～80℃，加热时间为8h～10h。所述步骤(3)中在步骤(2)中皮芯结构纤维两侧放置电极，然后通过挤出制备聚合物包覆层为：将两根金属丝外电极平行放在皮芯结构纤维两侧，并一起通过挤出机，在其外层制备聚氯乙烯保护层。本专利技术还提供一种光热双刺激响应型纤维状传感器件的应用。例如，用于智能服装。本专利技术通过五氧化二钒在盐溶液中形成絮凝体，通过捻转纤维基底使得纳米线絮凝体缠绕组装到基底上，实现了纳米线在纤维基底上的均匀负载。有益效果(1)本专利技术采用长径比大的纳米线在溶液中絮凝组装到纤维基底的方式，制备功能纤维，工艺简单，制备条件温和，功能材料包覆在纤维基底上不易脱落，利于功能纤维的大规模制备。(2)本专利技术通过施加平行外电极的方式，因纤维电阻与负载的功能层厚度有关，解决了功能纤维电阻随长度的增长而增大的问题，有利于功能纤维的长程制备。附图说明图1为实施例1中光热双刺激响应型纤维状传感器件的结构示意图；其中1为编织线基底，2为五氧化二钒功能层，3为外平行双电极，4为聚氯乙烯保护层。图2为实施例1制备的五氧化二钒纳米线的扫描电镜图；图3为实施例1制备的皮芯结构纤维的扫描电镜图；图4为实施例1制备的光热双刺激响应型纤维状传感器件的数码照片：其中(a)为制备的十米长的纤维状器件；(b)为纤维状器件编织成的手环；图5为实施例1制备的光热双刺激响应型纤维状传感器件的光敏性能测试图；图6为实施例1制备的光热双刺激响应型纤维状传感器件的温敏性能测试图；图7为五氧化二钒纳米线在盐溶液中的絮凝体照片：其中(a)为实施例1中在氯化钠溶液中的絮凝体照片；(b)为实施例3中在氯化镁溶液中的絮凝体照片；图8为对比例1中超声处理10min后制备的五氧化二钒纳米线在盐溶液中的絮凝状态照片。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1(1)室温下，称取0.364g五氧化二钒颗粒(分析纯，国药)置于100mL试剂瓶中，然后加入30mL去离子水，缓慢加入5mL过氧化氢(30％)(分析纯，沪试)，然后在室温下磁力搅拌0.5h，得到澄清透明的橙色溶液。取35mL橙色溶液倒入50mL水热釜内胆中，在205℃烘箱中加热96h，得到黄色的五氧化二钒纳米线。(2)将步骤(1)中五氧化二钒纳米线多次洗涤后配成1mg/ml的水分散液，超声处理30s，得到五氧化二钒纳米线均匀水分散液。(3)取步骤(2)中所得五氧化二钒纳米线均匀分散液(体积为2ml)，滴入1mol/L氯化钠溶液(体积为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光热双刺激响应型纤维状传感器件，其特征在于，所述传感器件包括：以纤维基底为芯、半导体功能层为皮的皮芯结构纤维，皮芯结构纤维两侧设置的电极，以及最外层的聚合物包覆层；/n其中半导体功能层为五氧化二钒纳米线，皮芯结构纤维是将五氧化二钒纳米线在盐溶液中形成纳米线絮凝体，然后通过捻转纤维基底使得纳米线絮凝体缠绕组装到基底上得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种光热双刺激响应型纤维状传感器件，其特征在于，所述传感器件包括：以纤维基底为芯、半导体功能层为皮的皮芯结构纤维，皮芯结构纤维两侧设置的电极，以及最外层的聚合物包覆层；
其中半导体功能层为五氧化二钒纳米线，皮芯结构纤维是将五氧化二钒纳米线在盐溶液中形成纳米线絮凝体，然后通过捻转纤维基底使得纳米线絮凝体缠绕组装到基底上得到。


2.根据权利要求1所述传感器件，其特征在于，所述纤维基底为编织线，所述编织线直径为0.2～0.4mm。


3.根据权利要求1所述传感器件，其特征在于，所述半导体功能层厚度为5～20μm；五氧化二钒纳米线直径为30～100nm，长度为0.1～6mm。


4.根据权利要求1所述传感器件，其特征在于，所述皮芯结构纤维两侧设置的电极平行排列；电极为金属铜丝，直径为100μm。


5.根据权利要求1所述传感器件，其特征在于，所述聚合物包覆层为聚氯乙烯，厚度为0.15～0.25mm。


6.一种光热双刺激响应型纤维状传...

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀刚，王锟，李林鹏，王宏志，张青红，侯成义，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31