[发明专利]超亲水导电复合纤维膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种超亲水导电复合纤维膜及其制备方法和应用。所述方法将酸化的多壁碳纳米管通过超声诱导的方法，使其吸附在热塑性聚氨酯静电纺丝纤维膜表面上，制得超亲水导电复合纤维膜。本发明的超亲水导电复合纤维膜具有优异的亲水性能和水下超疏油性能，水下油的接触角可至158°。本发明的超亲水导电复合纤维膜作为湿度传感器，可用于检测环境的湿度，在11％～95％的湿度环境下，其湿敏传感强度为5％～29％。此外，本发明的超亲水导电复合纤维膜也可作为气敏传感器，适用于在高湿环境下检测极性的有机挥发性气体。

技术领域

本发明涉及一种超亲水导电复合纤维膜及其制备方法，和其在湿敏和气敏传感中的 应用，属于导电高分子复合材料的制备技术领域。

背景技术

湿度传感器是一类重要的化学传感器，已在仓贮、工业生产、环境监测、家用电器、气象等方面广泛应用。外界环境的湿度与人们的生活、工农业生产以及动植物的生态都 密切相关。对于人类的生存，环境湿度具有与温度同等重要的意义。气敏传感器是用来 检测气体浓度和成分的传感器，它在环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏 传感器使用时，暴露在各种成分的气体中，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存 在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学 反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。

近几年来，湿度和气敏传感器在柔性电子，环境保护和呼吸系统疾病诊断等许多领 域有广泛的应用。在多数情况下，金属氧化物经常会被用作为气体传感器材料，例如氧化铜和三氧化钨等金属氧化物已被用作高性能气体传感器。此种气体传感器的响应机理是基于吸附的目标气体与金属氧化物之间的化学反应，从而引起的电荷转移，最终可能 导致传感器电阻的变化。二维氧化石墨烯(GO)通常被用于制备湿度传感器，因为它 可以吸收周围的水分。GO表面上的含氧官能团与水分子发生反应，导致其电导率发生 变化。然而，金属氧化物和GO都是呈粉末状的，通常会以浸涂或旋涂的方式涂覆到特 定的基板上。在多数情况下，传感材料和基板之间的弱相互作用会导致传感性能的不稳 定性。为了解决这个问题，通常将导电纳米填料掺入到聚合物中，以制备出基于纳米复 合材料的柔性的湿度或气敏传感器。典型的例子是聚乙烯醇(PVA)和纳米填料(如碳 纳米管CNTs、GO等)组成的纳米复合材料。周耿恒等人采用湿法纺丝法制造CNTs/PVA 纤维，其导电性可通过改变复合材料中CNTs的浓度来控制。当被用作湿度传感器时， 灯丝在暴露于湿气后显示出快速且较大电阻的增加。由于PVA对水具有很好的亲和力， 因此在测试中水分子会被PVA纤维吸收，使PVA发生部分溶胀。结果表明，CNTs之 间的距离会随着PVA的溶胀而增加，进而导致其电阻的大幅增加，这就是CNTs/PVA 复合纤维作为湿度传感器的响应机理[Zhou,G.；Byun,J.H.；Oh,Y.；et al.Highly Sensitive Wearable Textile-Based Humidity Sensor Made ofHigh-Strength,Single-Walled Carbon Nanotube/Poly(vinyl alcohol)Filaments.ACSAppl.Mater.Interfaces,2017,9,4788-4797.]。 而就气体传感性能而言，有机蒸汽的吸附可能会导致基质发生溶胀，从而破坏复合材料 的导电网络，进而导致电阻增加。相反地，这些有机蒸汽的解吸附则会使导电网络恢复， 并且电阻会降低至其原始值。尽管PVA对湿度较为敏感，但由于其较好的亲水性，其 导电复合物容易被湿气溶胀，因而会使其失去尺寸稳定性，特别是在实际使用中失去耐 久性。何作丽等人通过湿法纺丝技术制备出了TPU/MWCNTs复合纤维，通过调控 MWCNTs在TPU混合溶液中的含量来调控复合纤维的微观结构和材料的导电性，最后 将制备的复合纤维应用于应变传感器，结果显示出很好的灵敏性与可重复性[He,Z. L.；Byun,J.H.；Zhou,G.H.；et al.Effect of MWCNT content on themechanical and strain-sensing performance of Thermoplastic Polyurethanecomposite fibers.Carbon,2019, 146,701-708]。该方法利用的是未经酸化处理的多壁碳纳米管，其结构未被破坏，在与 TPU混合湿纺制备出的复合纤维具有较高的导电性的同时，为获得较高导电性的复合纤 维，需要添加较多的MWCNTs，因此制备的复合纤维具有较高的导电逾渗值。而作为 应变传感器应用时，对复合纤维的表面润湿性要求不是很高。我们都知道，人体呼吸中 存在不同种类的挥发性有机化合物，即生物标志物，可为疾病的诊断提供重要信息。如 果传感器材料能够在高湿度环境下检测到这些挥发性有机化合物，会进一步拓展这种传 感器材料的应用领域。