一种高灵敏湿度响应纤维及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏湿度响应纤维及其制备方法与应用。所述高灵敏湿度响应纤维具有由导电纳米材料、亲水聚合物和易潮解盐共同形成的复合纤维结构，所述亲水聚合物包裹在导电纳米材料网络表面形成亲水聚合物包裹层，所述易潮解盐均匀嵌设于亲水聚合物包裹层中。所述制备方法包括：使导电纳米材料均匀分散于亲水聚合物中，形成导电纳米材料/亲水聚合物溶液，之后进行湿法纺丝，制得凝胶纤维；之后将其与易潮解盐溶液接触，进行溶剂置换后干燥，获得高灵敏湿度响应纤维。本发明专利技术制备的导电纳米材料/亲水聚合物/易潮解盐复合纤维强度高，韧性好，对湿度响应迅速，与织物结合工艺简单，可实现织物局部湿度状况实时监测。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏湿度响应纤维及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种湿度响应纤维，特别是涉及一种具有高灵敏湿度响应导电纳米材料/聚乙烯醇/易潮解盐纤维及其制备方法与应用，属于纳米材料

技术介绍
当今织物产品越来越倾向于智能化与功能化，对纤维进行微纳结构设计使其功能化，是实现对环境感知与应激响应的技术手段。其中，纤维状高灵敏柔性传感器件是其中的关键组元之一。湿度是环境中的重要指标之一，因此对湿度的实时监测十分重要，为实现织物局部湿度状况实时监测，需要开发高灵敏纤维状湿度传感器。目前市场上的湿度传感器主要是基于薄膜材料，是薄膜状湿度传感器，其强度低，难以与织物进行良好有效的结合，因此在高性能可穿戴湿度传感器件上的应用受到限制。目前，市场上尚未见纤维状湿度传感器。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种高灵敏湿度响应纤维及其制备方法，以克服现有技术中的不足。本专利技术的另一目的在于提供所述高灵敏湿度响应纤维在制备湿度传感器件中的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种高灵敏湿度响应纤维，其具有由导电纳米材料、亲水聚合物和易潮解盐共同形成的复合纤维结构，所述亲水聚合物包裹在导电纳米材料网络表面形成亲水聚合物包裹层，所述易潮解盐均匀嵌设于所述导电纳米材料网络表面的亲水聚合物包裹层中。在一些实施方案中，所述易潮解盐包括锂盐、钙盐、镁盐中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术实施例还提供了一种高灵敏湿度响应纤维的制备方法，其包括如下步骤：(1)使导电纳米材料均匀分散于亲水聚合物中，形成导电纳米材料/亲水聚合物溶液；(2)对导电纳米材料/亲水聚合物溶液进行湿法纺丝，制得凝胶纤维；(3)将所述凝胶纤维与易潮解盐溶液接触，进行溶剂置换后干燥，获得高灵敏湿度响应纤维。本专利技术实施例还提供了由所述方法制备的高灵敏湿度响应纤维，其直径为5～400μm，强度在200MPa以上，响应时间低于5s，灵敏度大于200％。本专利技术实施例还提供了前述的高灵敏湿度响应纤维于制备湿度传感器中的用途。本专利技术实施例还提供了一种可穿戴湿度传感器，其包含前述的高灵敏湿度响应纤维，以及与所述高灵敏湿度响应纤维结合的织物。与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少在于：1)本专利技术采用碳纳米管等导电纳米材料为增强填料材料，通过湿法纺丝技术制备导电纳米材料/亲水聚合物凝胶纤维，再采用溶液交换法，采用易潮解盐溶液置换凝胶纤维中的水与丙酮，制备高强度导电纳米材料/亲水聚合物/易潮解盐复合纤维。所制备的复合纤维强度高，韧性好，对湿度响应迅速，与织物结合工艺简单，实现织物局部湿度状况实时监测，在可穿戴湿度传感器件制备领域具有广泛的应用。2)本专利技术提供的高灵敏湿度响应纤维中易潮解的氯化锂等盐在湿度环境下潮解释放离子，快速调节纤维导电性能，实现高灵敏湿度传感。附图说明图1a和图1b分别是本专利技术实施例1中一种单壁碳纳米管/聚乙烯醇/氯化锂纤维的制备工艺过程示意图。图2是本专利技术实施例1所获单壁碳纳米管/聚乙烯醇/氯化锂纤维的微观结构示意图。图3a-图3c分别是本专利技术实施例1所获单壁碳纳米管/聚乙烯醇/氯化锂纤维的元素分布图。图4是本专利技术实施例1所获单壁碳纳米管/聚乙烯醇/氯化锂纤维对前呼吸与深呼吸的响应监测曲线图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是采用碳纳米管等导电纳米材料为增强填料材料，通过湿法纺丝技术结合溶液交换工艺，制备高强度导电纳米材料/亲水聚合物/易潮解盐复合纤维。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供的一种高灵敏湿度响应纤维，所述高灵敏湿度响应纤维具有由导电纳米材料、亲水聚合物和易潮解盐共同形成的复合纤维结构，所述亲水聚合物包裹在导电纳米材料网络表面形成亲水聚合物包裹层，所述易潮解盐均匀嵌设于所述导电纳米材料网络表面的亲水聚合物包裹层中。在一些实施方案中，所述导电纳米材料、亲水聚合物与易潮解盐的质量比在0.2：100：2～20：100：8之间可调节。在一些实施方案中，所述导电纳米材料可以包括多壁碳纳米管、单壁碳纳米管等碳纳米管及它们任意比例的混合物等，还可为其他导电的纳米材料，如铜纳米线、银纳米线、银纳米片、石墨烯纳米片等，但不限于此。在一些实施方案中，所述亲水聚合物可以是聚乙烯醇，但不限于此。在一些实施方案中，所述易潮解盐包括锂盐、钙盐、镁盐等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步地，所述易潮解盐包括氯化锂、氯化钙、氯化镁等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步地，所述高灵敏湿度响应纤维的直径范围为5～400μm，强度在200MPa以上，响应时间小于5秒，灵敏度大于200％，电阻随相对湿度变化大。本专利技术实施例的另一个方面提供了一种高灵敏湿度响应纤维的制备方法，其包括：(1)使导电纳米材料均匀分散于亲水聚合物中，形成导电纳米材料/亲水聚合物溶液；(2)对导电纳米材料/亲水聚合物溶液进行湿法纺丝，制得凝胶纤维；(3)将所述凝胶纤维与易潮解盐溶液接触，进行溶剂置换后干燥，获得高灵敏湿度响应纤维。在一些实施方案中，步骤(1)包括：采用表面活性剂对导电纳米材料表面进行修饰，之后均匀分散于亲水聚合物水溶液中，形成导电纳米材料/亲水聚合物溶液。在一些实施方案中，所述导电纳米材料可以包括多壁碳纳米管、单壁碳纳米管等碳纳米管及它们任意比例的混合物等，还可为其他导电的纳米材料，如铜纳米线、银纳米线、银纳米片、石墨烯纳米片等，但不限于此。在一些实施方案中，所述亲水聚合物可以是聚乙烯醇，但不限于此。进一步地，所述表面活性剂包括SDS、SDBS、CTAB、PVP和TRX-100等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步地，所述导电纳米材料/亲水聚合物溶液中导电纳米材料的含量为0.2～20wt％。在一些实施方案中，所述易潮解盐包括锂盐、钙盐、镁盐等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步地，所述易潮解盐包括氯化锂、氯化钙、氯化镁等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。本专利技术的纤维中易潮解的氯化锂等盐在湿度环境下潮解释放离子，快速调节纤维导电性能，实现高灵敏湿度传感。在一些实施方案中，步骤(3)包括：以易潮解盐置换出所述凝胶纤维中的水与有机溶剂，之后在空气环境下，于60～90℃干燥5～12h，获得高灵敏湿度响应纤维。在一些更为典型的具体实施案例之中，以氯化锂为例，本专利技术的一种具有高灵敏湿度响应碳纳米管/聚乙烯醇/氯化锂纤维的制备方法包括如下步骤：A.利用表面活性剂对碳纳米管表面进行修饰，将其均匀分散于聚乙烯醇水溶液中；B.将碳纳米管/聚乙烯醇溶液通过喷丝孔挤入丙酮凝固浴中，获得碳纳米管/聚乙烯醇凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述高灵敏湿度响应纤维具有由导电纳米材料、亲水聚合物和易潮解盐共同形成的复合纤维结构，所述亲水聚合物包裹在导电纳米材料网络表面形成亲水聚合物包裹层，所述易潮解盐均匀嵌设于所述导电纳米材料网络表面的亲水聚合物包裹层中。/n

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述高灵敏湿度响应纤维具有由导电纳米材料、亲水聚合物和易潮解盐共同形成的复合纤维结构，所述亲水聚合物包裹在导电纳米材料网络表面形成亲水聚合物包裹层，所述易潮解盐均匀嵌设于所述导电纳米材料网络表面的亲水聚合物包裹层中。


2.根据权利要求1所述的高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述导电纳米材料、亲水聚合物与易潮解盐的质量比为0.2：100：2～20：100：8。


3.根据权利要求1所述的高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述导电纳米材料包括碳纳米管、铜纳米线、银纳米线、石墨烯纳米片和银纳米片中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碳纳米管包括多壁碳纳米管和/或单壁碳纳米管。


4.根据权利要求3所述的高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述亲水聚合物包括聚乙烯醇。


5.根据权利要求1所述的高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述易潮解盐包括锂盐、钙盐、镁盐中的任意一种或两种以上的组合。


6.根据权利要求5所述的高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述易潮解盐包括氯化锂、氯化钙、氯化镁中的任意一种或两种以上的组合。


7.根据权利要求1所述的高灵敏湿度响应纤维，其特征在于：所述高灵敏湿度响应纤维的直径为5～400μm，强度在200MPa以上，响应时间低于5s，灵敏度大于200％。


8.一种高灵敏湿度响应纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)使导电纳米材料均匀分散于亲水聚合物中，形成导电纳米材料/亲水聚合物溶液；
(2)对导电纳米材料/亲水聚合物溶液进行湿法纺丝，制得凝胶纤维；
(3)将所述凝胶纤维与易潮解盐溶液接触，进行溶剂置换后干燥，获得高灵敏湿度响应纤维。


9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：采用表面活性剂对导电纳米材料表面进行修饰，之后均匀分散于亲水聚合物水溶液中，形成导电纳米材料/亲水聚合物溶液。

【专利技术属性】
技术研发人员：周庚衡，巩文斌，吕卫帮，曲抒旋，蒋瑾，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32