一種制備高靈敏度濕度傳感器的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種制備高靈敏度濕度傳感器的方法，屬于化學(xué)傳感領(lǐng)域。按一定比例配制LiCl·H2O和Pebax的醇溶液作為紡絲前驅(qū)體液體，紡得Pebax納米纖維阻抗與濕度的關(guān)系較為靈敏。Pebax本身具有較好的耐化學(xué)性、柔韌性、透氣性、生物相容性等性能，結(jié)合LiCl·H2O化學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，該傳感纖維具有精度高、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，使其在濕度傳感領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種制備高靈敏度濕度傳感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)傳感領(lǐng)域，是ー個(gè)基于電阻一濕度特性原理的電濕敏元件。
【背景技術(shù)】
[0002]早在18世紀(jì)人類就發(fā)明了干濕球和毛發(fā)濕度計(jì)，而電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。在エ農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等領(lǐng)域，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進(jìn)行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y量濕度要比測量溫度復(fù)雜得多，溫度是個(gè)獨(dú)立的被測量，而濕度卻受其他因素(大氣壓強(qiáng)、溫度)的影響。此外，濕度的標(biāo)準(zhǔn)也是ー個(gè)難題。
[0003]濕度傳感器的工作原理是:利用濕度敏感材料直接吸附大氣中的水分子，是材料的電學(xué)特性等發(fā)生變化，從而檢測出濕度的變化。濕度傳感器主要用于檢測大氣環(huán)境的濕度變化，在倉儲(chǔ)、糧食及食品防霉、溫室種植、環(huán)境檢測、儀表電器、交通運(yùn)輸乃至導(dǎo)彈，火箭貯存等軍事裝備中發(fā)揮著越來越重要的作用。
[0004]濕度傳感器研究開發(fā)的核心內(nèi)容為濕度敏感材料的開發(fā)，濕度傳感器性能的優(yōu)劣直接取決于濕度敏感材料性能的優(yōu)劣。20世紀(jì)80年代，隨著納米科技的發(fā)展，濕度傳感器也迎來了其發(fā)展的春天。1980年日本松下電器產(chǎn)業(yè)的阿部等人使用蒸發(fā)法研究了氧化錫傳感器，使得納米技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用從單純的概念階段發(fā)展到具體的形式。納米材料特殊的結(jié)構(gòu)(如大的比表面積、量子尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等)將使它擁有許多不同于傳統(tǒng)材料的特性。因此，可以預(yù)測納米科技的進(jìn)步將大大推動(dòng)濕度傳感器的發(fā)展，而基于新型納米材料的濕度傳感器也將顯示出其超常規(guī)的優(yōu)良的特性。
[0005]Pebax可以改善許多熱塑性塑料的永久抗靜電性能，例如ABS、ABS / PC合金、PS、HIPS、PC、PBT, POM、PVC, PMMA、聚酰胺、TPU, PE、PP。Pebax的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其可以作為緩釋載體，用于控制揮發(fā)性物質(zhì)如香料、油劑等的揮發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)長期擴(kuò)散控制的目的。適用于這種用途的特定牌號(hào)有MX 1717,3533 SA 01和MX1205 01等。摻加Pebax樹脂可以得到可控的、具有較高蒸汽透過速度，并可透過如C02、02、N2和C2H4等氣體的聚合物。Pebax是ー種高性能熱塑性聚酰胺弾性體，可廣泛用于對高性能材料有著苛刻要求的運(yùn)動(dòng)市場，與傳統(tǒng)弾性體如熱塑性聚氨酯(TPU)相比，Pebax具有優(yōu)異的耐久性、耐候性、加工性，并且可以減小超過20%的質(zhì)量。Pebax尤其得到了運(yùn)動(dòng)鞋，足球鞋，滑雪靴或游泳設(shè)備設(shè)計(jì)師的親睞。由于Pebax具有耐化學(xué)性、柔韌性、良好的水阻隔性、氣體阻隔性、摩擦系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高等性質(zhì)，促使Pebax的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。
[0006]氯化鋰濕度傳感器由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路等組成，它是將環(huán)境濕度變換為電信號(hào)的裝置。氯化鋰濕度傳感器在エ業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、醫(yī)療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。理想的濕敏傳感器的特性要求是:適合于在寬沮、濕度范圍內(nèi)使用，測量精度高，使用壽命長，穩(wěn)定性好；響應(yīng)速度快，濕滯回差小，重現(xiàn)性好，靈敏度高，線性好，溫度系數(shù)小，制造エ藝簡單，易于批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換電路簡單，成本低；抗腐蝕，耐低溫和高溫特性等。氯化鋰在大氣中不分解、不揮發(fā)，也不變質(zhì)，是ー種具有穩(wěn)定的離子型結(jié)構(gòu)的無機(jī)鹽，它的飽和蒸汽壓很低，在同一溫度下為水的飽和蒸汽壓的10%左右。在空氣的相対濕度低于12%吋，氯化鋰在空氣中呈固相，電阻率很高，相當(dāng)于絕緣體；當(dāng)空氣的相対濕度高于12%時(shí)，放置在空氣中的氯化鋰就吸收空氣中的水分而潮解成溶液，只有當(dāng)它的蒸汽壓等于周圍空氣的水蒸氣分壓カ時(shí)才處于平衡狀態(tài)。因此，隨著空氣相對濕度的増加，氯化鋰的吸濕量也隨之増加，從而使氯化鋰中導(dǎo)電的離子數(shù)也隨之增加，最后導(dǎo)致它的電阻率降低、電阻減小。當(dāng)氯化鋰的蒸汽壓高于空氣的水蒸氣分壓力吋，氯化鋰就放出水分，導(dǎo)致電阻率升高、電阻增大。利用氯化鋰的電阻率隨空氣相対濕度變化的特性制成濕度傳感器，根據(jù)測量線路的不同可區(qū)分為氯化鋰電阻式濕度計(jì)和氯化鋰露點(diǎn)式濕度計(jì)。
[0007]此外，通過靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料是近十幾年來世界材料科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】的最重要的學(xué)術(shù)與技術(shù)活動(dòng)之一。靜電紡絲并以其制造裝置簡單、紡絲成本低廉、可紡物質(zhì)種類繁多、エ藝可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一，在制備微納米纖維方面有著極大的發(fā)展前景。 [0008]本發(fā)明把鋰鹽在前驅(qū)體溶液中分散均勻，由于鋰以離子形式存在于聚醚區(qū)域，在靜電場力的作用下，鋰離子會(huì)均勻的分散在Pebax納米纖維里，且鋰離子之間相對穩(wěn)定，不易發(fā)生團(tuán)聚，保證了鋰離子在纖維中的穩(wěn)定性，確保了負(fù)載鋰離子可控釋放為Pebax纖維長期起到濕度傳感的作用。另外氯化鋰長期工作穩(wěn)定性好，制作濕度傳感器時(shí)會(huì)有較高的精度，響應(yīng)迅速。
[0009]綜上，在靜電紡聚酰胺纖維中加入鋰離子，得到的復(fù)合納米纖維就具備聚酰胺纖維和鋰離子的優(yōu)良性能，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種基于電阻ー濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件，提高濕度傳感器的靈敏度，制備ー種靈敏度較高的濕度傳感器。
[0012]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種制備高靈敏度濕度傳感器的方法，按照下述步驟進(jìn)行:
(1)在25~90°C下將一定質(zhì)量的Pebax(中文全稱！)溶于異丙醇溶液中，磁力攪拌溶解；
(2)取出一定質(zhì)量的LiCl? H2O固體溶于異丙醇溶液里；
(3)取出一定量步驟(2)中的溶液，溶于步驟(1)中的前驅(qū)體溶液，在一定溫度下磁力攪拌，分散均勻；
(4)將步驟(3)中的溶液注入注射器中，導(dǎo)電針頭與注射器相連，并接通電源，將襯底鋁箔紙接地，電壓控制在10~20KV，在重力條件下進(jìn)行靜電紡絲，在襯底上收集含鋰鹽的Pebax納米纖維，溶劑揮發(fā)后取出；得到高靈敏度濕度傳感器。上述技術(shù)方案中，其中步驟(I)中Pebax與異丙醇的質(zhì)量與體積比為1:15 (g /ml)；
步驟(2)中LiCl ? H2O與異丙醇的質(zhì)量與體積比為3:15 (g /ml)；
步驟⑶中加入的LiCl ? H2O的質(zhì)量與Pebax的質(zhì)量比為1%~90%。
[0013]所述步驟(3)中LiCl -H2O的質(zhì)量占Pebax質(zhì)量的1%~90%，混合均勻后超聲震蕩I~3Omin,磁力攪拌I~24h。
[0014]所述步驟(4)中的紡絲條件:溫度在10~60°C，電壓在5~30 KV，針頭和接收板的距離為3~50cm,所用的針頭內(nèi)徑為0.02~1.0mm。
[0015]本發(fā)明通過改變電紡參數(shù)，從而控制所收集的Pebax納米纖維的尺寸和形貌；通過改變鋰鹽的含量，控制Pebax納米纖維的阻抗效果。
[0016]本發(fā)明的制備含鋰Pebax納米纖維濕度傳感器與其他纖維制備技術(shù)相比，具有成本低廉，纖維直徑可控范圍大，加工方便，具有Pebax和氯化鋰雙重優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為實(shí)施例1含氯化鋰的Pebax納米纖維的SEM圖；
圖2為實(shí)施例1含氯化鋰的Pebax納米纖維不同時(shí)間阻抗與相対濕度的關(guān)系圖；Pebax: LiCl ? H20=5:4(質(zhì)量比)不同時(shí)間阻抗與濕度的關(guān)系圖；
圖3為實(shí)施例2含氯化鋰的Pebax納米纖維不同時(shí)間阻抗與相対濕度的關(guān)系圖；Pebax: LiCl ? H20=2:l(質(zhì)量比)不同時(shí)間阻抗與濕度的關(guān)系圖，
圖4為實(shí)施例3 Pebax納米纖維在3min時(shí)刻阻抗與相對濕度的關(guān)系圖,Pebax 3min時(shí)刻阻抗與濕度的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
`[0018]下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的闡述。
[0019]實(shí)施例1
將Ig Pebax溶于15ml異丙醇中，取3 ml ;將3.0g LiCl ? H2O溶于15ml異丙醇，取800 u 10使LiCl.H2O與Pebax的質(zhì)量比為4:5。將兩種溶液相混合，在25~60°C下磁力攪拌，使其混合均勻。然后，將這混合物注入靜電紡絲所需的注射器中，導(dǎo)電針頭為6號(hào)針孔(外徑0.6mm,內(nèi)徑0.3mm)與注射器相連并接通電源，將襯底接地，調(diào)節(jié)電源電壓13KV，C-SD(噴絲頭尖端與接收屏的水平距離)為10 cm，在自身重力的作用下進(jìn)行靜電紡絲，在襯底下收集含鋰的Pebax納米纖維，收集時(shí)間為30，120，180 S，所收集的納米纖維在空氣中自由風(fēng)干。測量含鋰的Pebax納米纖維阻抗與相対濕度的關(guān)系。
[0020]本例制備所得的含鋰的Pebax納米纖維紡絲直徑為200nm左右，其SEM圖如圖1所示。
[0021]本例制備所得的含鋰的Pebax納米纖維不同時(shí)間阻抗與相対濕度的關(guān)系如圖2，如圖可知30s的樣品靈敏度最尚。
[0022]實(shí)施例2
將Ig Pebax溶于15ml異丙醇中，取3 ml ;將3.0g LiCl ? H2O溶于15ml異丙醇，取500 u 10使LiCl ? H2O與Pebax的質(zhì)量比為1:2。將兩種溶液相混合，在25~60°C下磁力攪拌，使其混合均勻。然后，將這混合物注入靜電紡絲所需的注射器中，導(dǎo)電針頭為6號(hào)針孔(外徑0.6mm,內(nèi)徑0.3mm)與注射器相連并接通電源，將襯底接地，調(diào)節(jié)電源電壓13KV，C-SD(噴絲頭尖端與接收屏的水平距離)為10 cm，在自身重力的作用下進(jìn)行靜電紡絲，在襯底下收集含鋰的Pebax納米纖維，收集時(shí)間為10，30，60，120，180 S，所收集的納米纖維在空氣中自由風(fēng)干。測量含鋰的Pebax納米纖維阻抗與濕度的關(guān)系。
[0023]本例制備所得的含鋰的Pebax納米纖維不同時(shí)間阻抗與濕度的關(guān)系如圖3，由圖可以得出時(shí)間越短靈敏度越明顯，這是因?yàn)殡S著紡絲時(shí)間的增長，導(dǎo)致樣品厚度増加，造成傳感器響應(yīng)時(shí)間增長，靈敏度降低。
[0024]實(shí)施例3
將Ig Pebax溶于15ml異丙醇中，取3 ml。在25?60°C下磁力攪拌,使其混合均勻。然后，將這混合物注入靜電紡絲所需的注射器中，導(dǎo)電針頭為6號(hào)針孔(外徑0.6mm,內(nèi)徑
0.3mm)與注射器相連并接通電源，將襯底接地，調(diào)節(jié)電源電壓13KV，C-SD(噴絲頭尖端與接收屏的水平距離)為10 cm，在自身重力的作用下進(jìn)行靜電紡絲，在襯底下收集Pebax納米纖維，收集時(shí)間為3 min，所收集的納米纖維在空氣中自由風(fēng)干。測量含鋰的Pebax納米纖維阻抗與濕度的關(guān)系。
[0025]本例制備所得的Pebax納米纖維阻抗與濕度的關(guān)系如圖4，純的Pebax對濕度的敏感性幾乎接近于零，這是因?yàn)镻ebax本身無電阻，通電時(shí)不會(huì)產(chǎn)生阻抗，無法記錄濕度與阻抗的變化關(guān)系。
【權(quán)利要求】
1.一種摻有鋰鹽的高靈敏度濕度傳感器制備方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (1)在25~90°C下將一定質(zhì)量的Pebax(嵌段聚醚酰胺弾性體)溶于異丙醇溶液中，攪拌至全部溶解； (2)取出一定質(zhì)量的LiCl? H2O溶于異丙醇溶液里，攪拌直至全部溶解； (3)取出一定量步驟(2)溶液與步驟(1)中溶液混合，攪拌成均勻溶液； (4)將步驟(3)中的溶液注入注射器中，注射器針頭接通5~20KV電源，將鋁箔接地，在重力條件下進(jìn)行靜電紡絲，在電極上收集含LiCl的Pebax納米纖維； (5)將步驟(4)樣品中的溶劑揮發(fā)，測量濕度與阻抗的關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種摻有鋰鹽的高靈敏度濕度傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中Pebax占異丙醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1%~50%，在25~90°C下磁力攪拌0.2 ~24h。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種摻有鋰鹽的高靈敏度濕度傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中 Pebax 種類為 Pebax4033，Pebax5533, Pebax6333, Pebax7033,Pebax7233, Pebaxl205, Pebax2533 等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種摻有鋰鹽的高靈敏度濕度傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中LiCl ? H2O占異丙醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1%~80%，在25~60°C下恒溫磁力攪拌I~24h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種含鋰高靈敏度的濕度傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中LiCl ? H2O的質(zhì)量占Pebax質(zhì)量的1%~90%，混合均勻后超聲震蕩I~3Omin,磁力攪拌I~24h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種含鋰鹽高靈敏度濕度傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中的紡絲條件:溫度在10~60°C，電壓在5~30 KV，針頭和接收板的距離為3~50cm，所用的針頭內(nèi)徑為0.02~1.0mm。
【文檔編號(hào)】B82Y15/00GK103558264SQ201310472794
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】姜興茂, 梁帥, 彭紅芳, 蔡云亮, 李亞情, 付鑫, 陳震, 閔建中 申請人:常州大學(xué)