CN104569074A

CN104569074A - 一种纳米复合湿度敏感材料、电阻式湿度传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN104569074A
Application number: CN201410808950.7A
Authority: CN
Inventors: 邹勇进; 向翠丽; 孙立贤; 徐芬; 褚海亮
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明公开了一种纳米复合湿度敏感材料、电阻式湿度传感器及其制备方法。所述的纳米复合湿度敏感材料是TiO₂纳米粒子、聚合物纳米线、石墨烯的纳米复合材料。所述的电阻式湿度传感器包括上述的纳米复合湿度敏感材料，纳米复合湿度敏感材料固定于ITO玻璃片上。本发明所制备的电阻型湿度传感器采用原位化学聚合和溶胶凝胶相结合的方法制备二氧化钛纳米粒子、聚吡咯纳米线、石墨烯复合材料。二氧化钛纳米粒子具有良好的化学稳定性和独特的物理化学性质，将其负载到聚吡咯纳米线和石墨烯复合材料上，提高了在室温下湿度检测的稳定性和灵敏度，而且还具有工艺简单，应用范围广和制造成本低等优点。

Description

一种纳米复合湿度敏感材料、电阻式湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及湿度传感器技术领域，尤其涉及一种纳米复合湿度敏感材料、电阻式湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度是自然界中使用最多的物理参数之一，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，湿度的采集或控制都十分频繁和重要。随着现代科学技术的发展，湿度传感器的应用范围也越来越广，如在食品行业、档案管理、温室大棚、动物养殖、药品储存等方面。而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。因此，开发高稳定性和高灵敏度的定量检测室温空气中的湿度的传感器的显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是要提供一种纳米复合湿度敏感材料、电阻式湿度传感器及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明的纳米复合湿度敏感材料是TiO₂纳米粒子、聚合物纳米线、石墨烯的纳米复合材料。

所述的聚合物纳米线为聚苯胺纳米线或聚吡咯纳米线。

石墨烯负载在聚合物纳米线上，TiO₂纳米粒子包覆在石墨烯和聚合物纳米线上，石墨烯的重量负载量为0.1-10％，聚合物纳米线的长度为10-50纳米，TiO₂纳米粒子的粒径为5-20纳米。TiO₂纳米粒子与聚合物纳米线的重量比为1：1。

本发明的纳米复合湿度敏感材料的制备方法采用原位化学聚合和溶胶凝胶的方法制备，首先在溶液中采用原位化学聚合的方法合成聚合物纳米线/石墨烯复合材料，然后采用溶胶凝胶的方法在聚合物纳米线/石墨烯复合材料再复合TiO₂纳米粒子。

所述方法的具体步骤如下：

(1)称取0.1-0.5g石墨烯材料超声分散到100mL 0.1-0.5M聚合物+0.1M HCl+0.01M十六烷基三甲基溴化铵溶液中，超声时间为1-2h，然后向该溶液中逐滴加入20-100mL 2g/L(NH₄)₂S₂O₈溶液，搅拌5h，过滤、洗涤、真空干燥，得到粉末；

(2)取0.5g步骤(1)制备的粉末加入10mL钛酸四丁酯溶液中，搅拌30min，然后滴加20mL无水乙醇，再搅拌2h后，干燥即得到二氧化钛-聚合物纳米线-石墨烯复合材料。

本发明的电阻式湿度传感器包括如上所述的纳米复合湿度敏感材料，纳米复合湿度敏感材料固定于铟锡氧化物(ITO)玻璃片上。

本发明的电阻式湿度传感器的制备方法是：将具有梳子状结构的铜片贴在ITO玻璃片上，然后将纳米复合湿度敏感材料固定在梳子状结构铜片的间隙上，即以测试复合材料电阻的变化来检测湿度的浓度。

湿度传感器的具体组装方法为：

A)将一侧具有导电胶的铜片裁剪成梳子状，梳子齿的间距为1mm，然后贴在ITO基体上；

B)将纳米复合湿度敏感材料分散在乙醇溶液中，然后滴在梳子齿的间隙上；

C)在铜片上接上导线，采用万用表测试材料的电阻。

本发明的电阻式湿度传感器可通过复合材料电阻的变化来检测空气或样品气中湿度；其可以在常温常压下检测湿度，所检测相对湿度的浓度范围为1％-100％，而且具有良好的稳定性。

本发明的积极效果如下：

1.可定量检测湿度。本发明采用TiO₂、聚合物纳米线、石墨烯纳米粒子复合材料作为湿度敏感材料来检测湿度，利用复合材料电阻的变化来检测湿度。

2.应用效果好。采用TiO₂包覆在聚合物纳米线上，有效地提高材料的比表面积，提高了湿度检测的灵敏度。

3.制备工艺简单，产品性能稳定。复合材料的制备采用原位化学聚合和溶胶凝胶的方法完成，不需要复杂的步骤，而且保证了材料制备的重现性。

4.使用方便。本发明湿度传感器可以在室温条件下定量检测湿度，而且操作简便，重现性好。

5.本发明电阻式湿度传感器还具有工艺简单，应用范围广和制造成本低等优点。

附图说明

图1为实施例1制备的TiO₂/吡咯/石墨烯纳米复合材料扫描电镜图。

图2为本发明实施例1制备的电阻型湿度传感器对湿度浓度的响应曲线图。

图3为本发明实施例1制备的电阻型湿度传感器的工作曲线图。

从图1可以看出，TiO₂纳米粒子很好地分散在聚吡咯纳米线和石墨烯的复合材料上，其粒径大小为10-30nm。从图2可以看出所制备的湿度传感器对一定相对湿度的气体有明显的响应，而且随着湿度的增大而增大。从图3可以看出在一定湿度范围内，传感器的电阻变化和湿度之间有良好的线性关系。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

实施例1

1)称取0.1g石墨烯材料超声分散到100mL 0.1M吡咯+0.1MHCl+0.01M十六烷基三甲基溴化铵溶液中，超声时间为1-2h，然后向该溶液中逐滴加入20mL 2g/L:(NH₄)₂S₂O₈溶液，搅拌5h，过滤、洗涤、真空干燥。

2)取0.5g步骤1中的粉末加入10mL钛酸四丁酯溶液中，搅拌30min，然后滴加20mL无水乙醇，再搅拌2h后，干燥即得到二氧化钛-聚吡咯纳米线-石墨烯复合材料。

3)将一侧具有导电胶的铜片裁剪成梳子状，然后贴在ITO基体上，梳子齿的间距为1mm，将复合材料分散在乙醇溶液中，然后滴在梳子齿的间隙上

4)在铜片上接上导线，记录复合材料在一定湿度的空气中的电阻变化的关系。

实施例2

1)称取0.1g石墨烯材料超声分散到100mL 0.1M苯胺+0.1MHCl+0.01M十六烷基三甲基溴化铵溶液中，超声时间为1-2h，然后向该溶液中逐滴加入20mL 2g/L:(NH₄)₂S₂O₈溶液，搅拌5h，过滤、洗涤、真空干燥。

2)取0.5g步骤1中的粉末加入10mL钛酸四丁酯溶液中，搅拌30min，然后滴加20mL无水乙醇，再搅拌2h后，干燥即得到二氧化钛-聚苯胺纳米线-石墨烯复合材料。

本发明的工作原理

TiO₂纳米粒子是一种半导体材料，具有较高的电阻和较大的比表面积，对水分子有良好的吸附作用，将其负载到聚合物纳米线/石墨烯复合材料上,提高了湿度检测的敏感性。当复合材料吸附了水分子后，其电阻发生变化，因此可以利用复合材料电阻的变化检测空气中的湿度。检测采用灵敏度来S来表示，S＝(R₀–R_H)/R₀×100，其中R_H表示复合材料在11％空气湿度中的电阻，R₀表示没有湿度为0时复合材料的电阻。

该湿度传感器可以在室温条件下定量检测空气中的湿度，而且操作简便，重现性好。本发明所制备的电阻型湿度传感器采用原位化学聚合和溶胶凝胶相结合的方法制备二氧化钛纳米粒子、聚吡咯纳米线、石墨烯复合材料。二氧化钛纳米粒子具有良好的化学稳定性和独特的物理化学性质，将其负载到聚吡咯纳米线和石墨烯复合材料上，提高了在室温下湿度检测的稳定性和灵敏度，而且还具有工艺简单，应用范围广和制造成本低等优点。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种纳米复合湿度敏感材料，其特征在于：所述的纳米复合湿度敏感材料是TiO₂纳米粒子、聚合物纳米线、石墨烯的纳米复合材料。

2.如权利要求1所述的纳米复合湿度敏感材料，其特征在于：所述的聚合物纳米线为聚苯胺纳米线或聚吡咯纳米线。

3.如权利要求1所述的纳米复合湿度敏感材料，其特征在于：石墨烯负载在聚合物纳米线上，TiO₂纳米粒子包覆在石墨烯和聚合物纳米线上，石墨烯的重量负载量为0.1-10％，聚合物纳米线的长度为10-50纳米，TiO₂纳米粒子的粒径为5-20纳米，TiO₂纳米粒子与聚合物纳米线的重量比为1：1。

4.如权利要求1～3任一项所述的纳米复合湿度敏感材料的制备方法，其特征在于：所述湿度敏感材料采用原位化学聚合和溶胶凝胶的方法制备，首先在溶液中采用原位化学聚合的方法合成聚合物纳米线/石墨烯复合材料，然后采用溶胶凝胶的方法在聚合物纳米线/石墨烯复合材料再复合TiO₂纳米粒子。

5.如权利要求4所述的纳米复合湿度敏感材料的制备方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

(1)每称取0.1-0.5g石墨烯材料超声分散到100mL 0.1-0.5M聚合物+0.1M HCl+0.01M十六烷基三甲基溴化铵溶液中，超声时间为1-2h，然后向该溶液中逐滴加入20-100mL 2g/L(NH₄)₂S₂O₈溶液，搅拌5h，过滤、洗涤、真空干燥，得到粉末；

(2)每取0.5g步骤(1)制备的粉末加入10mL钛酸四丁酯溶液中，搅拌30min，然后滴加20mL无水乙醇，再搅拌2h后，干燥即得到二氧化钛-聚合物纳米线-石墨烯复合材料。

6.一种电阻式湿度传感器，其特征在于：所述的电阻式湿度传感器包括如权利要求1～4任一项所述的纳米复合湿度敏感材料，纳米复合湿度敏感材料固定于ITO玻璃片上。

7.如权利要求6所述的电阻式湿度传感器的制备方法，其特征在于：将具有梳子状结构的铜片贴在ITO玻璃片上，然后将纳米复合湿度敏感材料固定在梳子状结构铜片的间隙上，即以测试复合材料电阻的变化来检测湿度的浓度。

8.如权利要求7所述的电阻式湿度传感器的制备方法，其特征在于：湿度传感器的组装方法为：

A)将一侧具有导电胶的铜片裁剪成梳子状，然后贴在ITO基体上；

C)在铜片上接上导线，采用万用表测试材料的电阻。

9.如权利要求6所述的电阻式湿度传感器的应用，其特征在于：所述电阻式湿度传感器通过湿度敏感材料电阻的变化来检测空气或样品气中湿度。

10.如权利要求9所述的电阻式湿度传感器的应用，其特征在于：所述电阻式湿度传感器在常温常压下检测湿度，所检测湿度的质量浓度范围为1％-100％，而且具有良好的稳定性。