CN101178372B - 电纺丝法制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明具体是利用电纺丝技术制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器的方法。它是以可溶性陶瓷前驱体、高分子、碱金属或碱土金属盐和溶剂为原料，采用电纺丝技术，制备含高分子和陶瓷前驱体的复合纤维，然后将该纤维烧结除去高分子，从而得到陶瓷纳米纤维材料。陶瓷纳米纤维材料具有较高比表面积，对水分的吸附能力强，同时碱金属或碱土金属的引入增强了材料表面导电能力，使材料响应恢复速率提高。由此方法制备的陶瓷纳米纤维材料的响应/恢复时间均在10s以内，远优于国际同类产品，同时其他技术指标也均达到或超过国际标准。该方法适用于各种以可溶性金属盐为原料的陶瓷氧化物，具有设备简单，低成本，高性能，易于推广等优点。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷基湿敏传感器制备技术，具体涉及一种利用电纺丝技术制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器的方法。
背景技术
随着科技的发展以及人民生活质量的提高，监测和控制环境湿度在创造舒适生活条件及工业生产过程中得到了越来越广泛的重视。随着智能纳米材料的提出，纳米尺度的湿度传感器在电子元器件和精密仪器的制备、纺织、制药、食品保鲜、空调等领域得到了广泛的应用。虽然目前人们已经制备出多种纳米级湿度传感器，但是其低灵敏度、低响应-恢复速度、低稳定性、低寿命，限制了其应用范围及发展空间。目前，还没有见到可以利用电纺丝法来制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器的相关报道。
发明内容
本发明的目的是：提供一种利用电纺丝法制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器的方法，通过该方法可以制备出响应时间和恢复时间均为1-10秒的陶瓷基纳米纤维湿敏传感器。
采用该方法制备的快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器，不但具有快速的响应-恢复时间，其他技术指标如灵敏度、稳定性、使用寿命以及湿敏特性等均达到国际同类产品中的先进水平，可以满足工业技术的要求，能在微电子工业、纺织、制药、民用等领域中获得较大的应用。
本发明方法步骤如下：
1、二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器制备步骤如下：
(1)将0.01～0.50g碱金属盐或碱土金属盐溶解或分散于5～10ml无水乙醇，在干燥条件下搅拌15～30分钟使其完全溶解或分散，再加入0.3～0.5g高分子模板化合物，在干燥室温条件下搅拌6～8小时，使高分子彻底溶解；
(2)将1.0～2.0g二氧化钛前驱体加入体积为2-5ml无水乙醇，同时加入等体积的乙酸做稳定剂，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀，然后将获得的二氧化钛前驱体溶液快速加入步骤(1)的溶液中；
(3)干燥条件下继续搅拌15～60分钟，待混合均匀后，将步骤(2)获得的混合溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为0.5～3mm，以铝套为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，两极板间距离为10～30cm，施加电压为6～30KV进行电纺丝，经过18～54小时纺丝后，将在阴极板上获得的含高分子模板的纳米纤维膜在400～700℃烧结3～5小时以除去高分子模板，从而得到纤维直径50～300nm，具有快速响应-恢复速率的二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器。
2、氧化锌或三氧化二铁基纳米纤维湿敏传感器制备步骤如下：
(1)将0.5～2.0g水溶性高分子加入10～20ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4～6小时，至溶液完全澄清，冷却到室温后，向体系中加入0.1～0.3ml的表面活性剂搅拌1～3小时，使其混合均匀；
(2)将0.5～1.5g可溶性锌盐或铁盐加入5～10ml蒸馏水中，再加入0.01～0.50g碱金属盐或碱土金属盐，搅拌至溶解，再将该混合溶液加入步骤(1)溶液中；
(3)继续搅拌1～3小时，使溶液混合均匀，将溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为0.5～3mm，以铜电极为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，两极板间距离为10～30cm，施加电压为6～30KV进行电纺丝，经过18～54小时纺丝后，将在阴极极板上获得的含水溶性高分子的纳米纤维膜置于真空烘箱中，在70～80℃下烘干6～8小时，然后在400～700℃下烧结3～5小时以除去水溶性高分子，从而得到纤维直径50～300nm，具有快速响应-恢复速率的氧化锌或三氧化二铁基纳米纤维湿敏传感器。
本发明方法1中所述的碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾，碱土金属盐是氯化镁或氯化钙；碱金属盐或碱土金属盐由于易吸水或吸潮，需经过处理后方可使用，将金属盐放入真空烘箱，120℃下烘6～12小时，除去水分或结晶水，放在真空干燥器中备用。所述的高分子模板化合物是聚乙烯吡咯烷酮(或聚乙烯醇等)；所述的二氧化钛前驱体是钛酸丁酯(或四异丙氧基钛等)；所述的稳定剂是乙酸(或浓盐酸等)。
本发明方法2中所述的水溶性高分子是聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；所述的可溶性锌盐是醋酸锌或硝酸锌；所述的可溶性铁盐是硝酸铁或氯化铁；所述的碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾；所述的碱土金属盐是氯化镁或氯化钙；表面活性剂是曲拉通-x1009(Triton-x100)。
所有高分子原料及表面活性剂均可从美国Aldrich化学试剂公司以商品形式获得，所有金属盐及溶剂均可从天津天泰精细化学品有限公司以商品形式获得。
本发明的机制可做如下理解：可溶性金属盐或氧化物前驱体与高分子混合溶解后进行高压混纺，得到以高分子为模板的复合纤维。根据所选的金属前驱体和高分子，选择适合的烧结温度和升温程序，在高温下将复合纤维中的高分子模板烧除，同时使氧化物前驱体在高温下氧化并结晶，形成陶瓷氧化物基纳米纤维。
陶瓷基湿敏传感器的作用机理为：当水分子碰撞到陶瓷表面时，部分发生解离，与金属氧化物(二氧化钛、氧化锌、三氧化二铁等)中的离子形成氢氧化物，使材料瞬时电阻降低从而产生湿敏活性。这就要求性能优良的湿敏传感器需要有足够大的比表面积和足够多的离子。本发明所制得的陶瓷基纳米纤维具有很大的比表面积，易于吸附水分，而碱金属或碱土金属离子的引入一方面增加了材料的活性离子，另一方面降低了材料的本征电阻，从而提高了材料的灵敏度，大大降低了传感器的响应恢复速率。
本方法首次在国际上成功的制备出具有快速响应-恢复速率的陶瓷基纳米纤维湿敏传感器，具有制备工艺简单，便于操作和重复等优点，且生产设备简单方便，对生产条件要求较低，生产成本低廉。所得湿敏传感器不但具有超快的响应-恢复速率，其他各项相关技术指标均达到或超过国际先进水平，具有良好的市场应用前景，易于推广和应用。
附图说明
图1：为本发明所使用的电纺丝设备工作示意图；
图2：实施例3所制得的二氧化钛/氯化锂复合纤维扫描电镜照片；
图3：实施例6所制得的二氧化钛/氯化钾复合纤维扫描电镜照片；
图4：实施例12所制得的二氧化钛/氯化钠复合纤维扫描电镜照片；
图5：实施例18所制得的二氧化钛/氯化钙复合纤维扫描电镜照片；
图6：实施例22所制得的二氧化钛/氯化镁复合纤维扫描电镜照片；
图7：实施例27所制得的氧化锌/氯化锂复合纤维扫描电镜照片；
图8：实施例33所制得的氧化锌/氯化钾复合纤维扫描电镜照片；
图9：实施例39所制得的氧化锌/氯化镁复合纤维扫描电镜照片；
图10：实施例42所制得的氧化铁/氯化锂复合纤维扫描电镜照片；
图11：实施例48所制得的氧化铁/氯化钾复合纤维扫描电镜照片；
图12：实施例51所制得的氧化铁/氯化钙复合纤维扫描电镜照片；
图13：实施例3、6、12、18和22所制得的二氧化钛复合纤维与纯二氧化钛纤维的湿敏测试对比曲线；
图14：实施例27、33、36和39所制得的氧化锌复合纤维与纯氧化锌纤维的湿敏测试对比曲线；
图15：实施例42、45、48、51和54所制得的三氧化二铁纤维湿敏测试曲线；
图16：实施例8所制得的二氧化钛/氯化钾复合纤维响应-恢复曲线(十次循环)；
图17：实施例27所制得的氧化锌/氯化锂复合纤维响应-恢复曲线(十次循环)；
图18：实施例42所制得的三氧化二铁/氯化锂复合纤维响应-恢复曲线(十次循环)；
图19：实施例8所制得的二氧化钛/氯化钾复合纤维湿滞曲线；
图20：实施例27所制得的氧化锌/氯化锂复合纤维湿滞曲线；
图21：实施例42所制得的三氧化二铁/氯化锂复合纤维湿滞曲线；
如图1所示，1为高压电源，2为玻璃喷丝管，3为喷射出的高分子/金属盐混合溶液，4为金属电极作为阳极，5为劈裂的纳米纤维，6为铝箔接受板作为阴极。
如图2-12所示，可以看出本发明所制得的多种复合纳米纤维，纤维形貌良好，直径均一，纤维直径在50-300nm之间。
如图13-15所示，可以看出相对于纯纤维，本发明所制得的复合陶瓷纤维的电阻随湿度变化跨度更大(均接近或超过4个数量级，达到国际标准)，线性度更好，这证明本发明所制得的陶瓷纤维有着优良的湿敏特性。
如图16-18所示，可以清晰地看出，本发明所制得的陶瓷纤维有着极短的响应及恢复时间，其响应及恢复时间均在10s以内，说明本发明所制得的陶瓷纤维响应恢复速度快，灵敏度高；同时10次循环数据重复性好，说明本发明所制得的陶瓷纤维具有很高的稳定性。
如图19-21所示，可以清晰的看出本发明所制得的陶瓷纤维湿滞曲线重合度很高，说明材料具有优良的吸附脱附性能，可以反复使用，有更长的使用寿命。
具体实施方式
1、利用电纺丝法制备二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器
实施例1：
在50ml锥形瓶中，将0.02g氯化锂溶于7ml无水乙醇，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌15min使其彻底溶解。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，用封口膜封口在室温下剧烈搅拌10min。将高分子化合物溶液与钛酸丁酯溶液混合，继续封口在室温下搅拌20min。将混合好的溶液放入电纺丝设备的喷丝管中，喷丝管头的内径为1mm，以铝套作阳极，用铝箔作为阴极接受产物，两极间距离为20cm，施加电压为12kV进行电纺丝。电纺丝30小时后，将阴极板上接收的纳米纤维膜装入坩埚放入马弗炉，在500℃下烧结4小时。所得二氧化钛/氯化锂复合纳米纤维直径在200-250nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为2s。
实施例2：
如实施例1所述，将0.05g氯化锂溶于7ml无水乙醇，其余条件及反应过程相同，所得二氧化钛/氯化锂复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为2s。
实施例3：
在50ml锥形瓶中，将0.1g氯化锂溶于7ml无水乙醇，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌15min使其彻底溶解。将0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化锂复合纳米纤维直径在150-180nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为1s。
实施例4：
在50ml锥形瓶中，将0.2g氯化锂溶于7.5ml无水乙醇，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌15min使其彻底溶解。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化锂复合纳米纤维直径在120-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为2s。
实施例5：
在50ml锥形瓶中，将0.4g氯化锂溶于10ml无水乙醇，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌15min使其彻底溶解。将0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入4ml无水乙醇、4ml乙酸、1.8g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化锂复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为3s，恢复时间为2s。
实施例6：
在50ml锥形瓶中，将0.02g氯化钾加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例7：
在50ml锥形瓶中，将0.05g氯化钾加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在150-180nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例8：
在50ml锥形瓶中，将0.08g氯化钾加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在120-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
实施例9：
在50ml锥形瓶中，将0.15g氯化钾加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为2s。
实施例10：
在50ml锥形瓶中，将0.30g氯化钾加入8ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例11：
在50ml锥形瓶中，将0.04g氯化钠加入6ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钠复合纳米纤维直径在180-250nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例12：
在50ml锥形瓶中，将0.08g氯化钠加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钠复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例13：
在50ml锥形瓶中，将0.15g氯化钠加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钠复合纳米纤维直径在150-180nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例14：
在50ml锥形瓶中，将0.3g氯化钾加入7.5ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在120-150nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为2s。
实施例15：
在50ml锥形瓶中，将0.4g氯化钾加入7.5ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其彻底分散。将0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3.5ml无水乙醇、3.5ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钾复合纳米纤维直径在120-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
实施例16：
在50ml锥形瓶中，将0.02g氯化钙加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钙复合纳米纤维直径在200-300nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为4s。
实施例17：
在50ml锥形瓶中，将0.05g氯化钙加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钙复合纳米纤维直径在200-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例18：
在50ml锥形瓶中，将0.10g氯化钙加入7.5ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钙复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
实施例19：
在50ml锥形瓶中，将0.2g氯化钙加入8ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，所得二氧化钛/氯化钙复合纳米纤维直径在100-180nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为2s。
实施例20：
在50ml锥形瓶中，将0.3g氯化钙加入8ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3.5ml无水乙醇、3.5ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化钙复合纳米纤维直径在80-150nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为2s。
实施例21：
在50ml锥形瓶中，将0.01g氯化镁加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化镁复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例22：
在50ml锥形瓶中，将0.05g氯化镁加入7ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.4g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入2.5ml无水乙醇、2.5ml乙酸、1.2g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化镁复合纳米纤维直径在150-180nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例23：
在50ml锥形瓶中，将0.1g氯化镁加入7.5ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化镁复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为2s。
实施例24：
在50ml锥形瓶中，将0.2g氯化镁加入7.5ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.45g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3ml无水乙醇、3ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化镁复合纳米纤维直径在100-200nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
实施例25：
在50ml锥形瓶中，将0.3g氯化镁加入7.5ml无水乙醇中，用封口膜封住瓶口在室温下搅拌30min使其完全溶解。将0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到上述溶液中，继续封口在室温下搅拌6h。另取一50ml锥形瓶，依次加入3.5ml无水乙醇、3.5ml乙酸、1.5g钛酸丁酯，其余步骤如实施例1，在500℃下烧结3小时。所得二氧化钛/氯化镁复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为4s。
2、利用电纺丝法制备氧化锌基纳米纤维湿敏传感器
实施例26：
在50ml锥形瓶中，将1.0g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml Triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.01g氯化锂、5ml蒸馏水，室温下搅拌10min至完全溶解。将高分子溶液与金属盐溶液混合，继续在室温下搅拌1小时。将混合好的溶液放入电纺丝设备的喷丝管中，喷丝管头的内径为1mm，以铜电极作为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，两极间距离为20cm，施加电压为15kV进行电纺丝。经30小时纺丝后，将阴极板上接收的含高分子模板的纳米纤维膜在真空烘箱中70℃下烘干6小时除去溶剂，然后放入马弗炉，缓慢升温至600℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化锂复合纳米纤维直径在150-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例27：
如实施例26，只是加入0.05g氯化锂，其余相同，所得氧化锌/氯化锂复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例28：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.20g氯化锂、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化锂复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例29：
在50ml锥形瓶中，将1.0g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.05g氯化钠、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化钠复合纳米纤维直径在180-250nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例30：
在50ml锥形瓶中，将1.0g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.1g氯化钠、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化钠复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为7s，恢复时间为3s。
实施例31：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.2g氯化钠、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化钠复合纳米纤维直径在150-180nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例32：
在50ml锥形瓶中，将1.0g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.02g氯化钾、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化钾复合纳米纤维直径在150-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例33：
在50ml锥形瓶中，将1.0g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1g醋酸锌、0.1g氯化钾、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化钾复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例34：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.1g醋酸锌、0.15g氯化锂、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，所得氧化锌/氯化钾复合纳米纤维直径在120-180nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例35：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.2g硝酸锌、0.05g氯化钙、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，然后放入马弗炉，缓慢升温至700℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化钙复合纳米纤维直径在150-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例36：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.2g硝酸锌、0.1g氯化钙、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，然后放入马弗炉，缓慢升温至700℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化钙复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例37：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.2g硝酸锌、0.20g氯化钙、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，然后放入马弗炉，缓慢升温至700℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化钙复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
实施例38：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.2g硝酸锌、0.04g氯化镁、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，然后放入马弗炉，缓慢升温至700℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化镁复合纳米纤维直径在150-300nm左右，湿敏响应时间为7s，恢复时间为3s。
实施例39：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.2g硝酸锌、0.15g氯化镁、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，然后放入马弗炉，缓慢升温至700℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化镁复合纳米纤维直径在100-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例40：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入1.2g硝酸锌、0.3g氯化镁、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例26，然后放入马弗炉，缓慢升温至700℃恒温烧结5小时。所得氧化锌/氯化镁复合纳米纤维直径在150-250nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
3、利用电纺丝法制备三氧化二铁基纳米纤维湿敏传感器
实施例41：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.6g硝酸铁、0.02g氯化锂、5ml蒸馏水，室温下搅拌10min至完全溶解。将高分子溶液与金属盐溶液混合，继续在室温下搅拌1小时。将混合好的溶液放入喷丝管中，喷丝管头的内径为1mm，以铜电极作为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，两极间距离为20cm，施加电压为15kV进行电纺丝。将阴极板上接收的纳米纤维膜在真空烘箱中70℃下烘干6小时除去溶剂，然后放入马弗炉，500℃恒温烧结5小时。所得三氧化二铁/氯化锂复合纳米纤维直径在200-250nm左右，湿敏响应时间为7s，恢复时间为3s。
实施例42：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.6g硝酸铁、0.1g氯化锂、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化锂复合纳米纤维直径在120-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例43：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.6g硝酸铁、0.2g氯化锂、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化锂复合纳米纤维直径在100-180nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例44：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.6g硝酸铁、0.05g氯化钠、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钠复合纳米纤维直径在200-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例45：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.7g硝酸铁、0.1g氯化钠、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钠复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为2s。
实施例46：
在50ml锥形瓶中，将1.1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.7g硝酸铁、0.3g氯化钠、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钠复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例47：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.6g硝酸铁、0.04g氯化钾、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钾复合纳米纤维直径在180-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例48：
在50ml锥形瓶中，将1g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.6g硝酸铁、0.1g氯化钾、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钾复合纳米纤维直径在120-200nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为2s。
实施例49：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯醇加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1ml triton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.65g硝酸铁、0.25g氯化钾、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钾复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例50：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.5g氯化铁、0.02g氯化钙、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钙复合纳米纤维直径在200-350nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例51：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.5g氯化铁、0.15g氯化钙、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钙复合纳米纤维直径在150-200nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为2s。
实施例52：
在50ml锥形瓶中，将1.1g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.5g氯化铁、0.2g氯化钙、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化钙复合纳米纤维直径在80-180nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为3s。
实施例53：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.5g氯化铁、0.04g氯化镁、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化镁复合纳米纤维直径在180-250nm左右，湿敏响应时间为6s，恢复时间为3s。
实施例54：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.5g氯化铁、0.1g氯化镁、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化镁复合纳米纤维直径在120-200nm左右，湿敏响应时间为5s，恢复时间为2s。
实施例55：
在50ml锥形瓶中，将1.2g聚乙烯吡咯烷酮加入15ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4小时，至溶液完全澄清。冷却到室温后，向溶液中加入0.1mltriton-x100继续搅拌1小时至均匀。另取一50ml锥形瓶，依次加入0.5g氯化铁、0.15g氯化镁、5ml蒸馏水，其余步骤如实施例41，所得三氧化二铁/氯化镁复合纳米纤维直径在100-150nm左右，湿敏响应时间为4s，恢复时间为3s。
Claims (2)
1.利用电纺丝法制备快速响应-恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其步骤如下：
(1)将0.01～0.50g碱金属盐或碱土金属盐溶解或分散于5～10ml无水乙醇，在干燥条件下搅拌15～30分钟使其完全溶解或分散，再加入0.3～0.5g高分子模板化合物，在干燥室温条件下搅拌6～8小时，使高分子彻底溶解；
(2)将1.0～2.0g二氧化钛前驱体加入体积为2-5ml无水乙醇，同时加入等体积的乙酸或浓盐酸做稳定剂，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀，然后将获得的二氧化钛前驱体溶液快速加入步骤(1)的溶液中；
(3)干燥条件下继续搅拌15～60分钟，待混合均匀后，将步骤(2)获得的混合溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为0.5～3mm，以铝套为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，进行电纺丝，然后将在阴极板上获得的含高分子模板的纳米纤维膜在400～700℃烧结3～5小时以除去高分子模板，从而得到纤维直径50～300nm，具有快速响应-恢复速率的二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器；
其中，碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾；碱土金属盐是氯化钙或氯化镁；高分子模板是聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇；二氧化钛前驱体是钛酸丁酯或四异丙氧基钛。
2.利用电纺丝法制备快速响应-恢复氧化锌或三氧化二铁基纳米纤维湿敏传感器，其步骤如下：
(1)将0.5～2.0g水溶性高分子加入10～20ml蒸馏水中，在100℃下加热回流4～6小时，至溶液完全澄清，冷却到室温后，向体系中加入0.1～0.3ml的表面活性剂搅拌1～3小时，使其混合均匀；
(2)将0.5～1.5g可溶性锌盐或铁盐加入5～10ml蒸馏水中，再加入0.01～0.50g碱金属盐或碱土金属盐，搅拌至溶解，再将该混合溶液加入步骤(1)溶液中；
(3)继续搅拌1～3小时，使溶液混合均匀，将溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为0.5～3mm，以铜电极为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，进行电纺丝，然后将在阴极板上获得的含水溶性高分子的纳米纤维膜置于真空烘箱中，在70～80℃下烘干6～8小时，然后在400～700℃下烧结3～5小时以除去水溶性高分子，从而得到纤维直径50～300nm，具有快速响应-恢复速率的氧化锌或三氧化二铁基纳米纤维湿敏传感器；
其中，水溶性高分子是聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；可溶性锌盐是醋酸锌或硝酸锌；可溶性铁盐是硝酸铁或氯化铁；碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾；碱土金属盐是氯化钙或氯化镁；表面活性剂是曲拉通-x100。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100519 Termination date: 20131128 |