CN112834576A - 基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器及其制备方法。该方法包括将亲水聚合物与水按照预设质量比混合后，再加入预定量的导电物质和交联剂，充分反应后得到纺丝液；对该纺丝液进行湿法纺丝后，得到超亲水纤维；再将得到的超亲水纤维加工成织物，得到基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器。通过上述方式，本发明不仅能够使制备的纤维具有导电性，还能够利用交联剂的交联改性使纤维同时具有较好的力学性能和优异的亲水性。在外界湿刺激下，该超亲水纤维能够产生可逆形变，从而改变纤维中导电物质的排列方式，进而使纤维内部的电阻发生变化，利用电信号的改变来实现湿度传感的功能，以满足纤维基湿度传感器的应用要求。

Description

基于吸湿变电阻的纤维基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，尤其涉及一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着智能纺织技术的迅速发展，柔性智能可穿戴织物逐渐成为研究热点。现有的柔性可穿戴织物通常以织物或柔性膜为基材，通过对大块织物或柔性膜进行特定处理或改性成为对某一信号的传感器。但以大面积织物或柔性膜为基材的传感器通常是在表面涂覆导电物质，涂覆层容易脱落，使用寿命有限。此外，以大面积柔性材料为基材只能定向制备织物或柔性膜面积大小的传感器，或后期通过裁剪得到需要的形状，难以实现真正意义上可调控的可穿戴织物。因此，可实现自由编织的纤维基传感器将会是柔性智能可穿戴织物的必然选择。

在各类传感器中，湿度传感器已被广泛应用于气象监测、生物医学、农业生产、智能家居和人体健康监测等领域。与传统的刚性湿度传感器相比，纤维基湿度传感器以其柔性好、便携、可穿戴等优点受到了研究人员的广泛关注，对纤维基湿度传感器的研究已成为湿度传感器领域的重点研究方向之一。

公开号为CN110133068A的专利提供了一种基于静电纺纳米纤维织物的湿度传感器，该湿度传感器以静电纺得到的纳米纤维织物作为导电基底，取代了传统的金叉指电极、金属电极等导电基底，降低了湿度传感器的制造成本；并利用该纳米纤维织物本身的湿度敏感性，增强湿度敏感材料的效果，使整个湿度传感器灵敏度高，响应迅速。然而，由于该专利中提供的纳米纤维织物本身的湿度敏感性不足，其表面仍需要镀有湿度敏感材料层，不仅增加了制备工序与成本，也影响了湿度传感器的柔性。并且，该专利采用静电纺丝的方式制备的纤维较细，不易以单根或一束纤维的形式进行收集，通常制备成纤维无规则堆叠的纳米纤维膜，多用于膜材料的制备，且难以制备异形或皮芯结构的纤维，对设备的要求较高，导致应用范围受限。

有鉴于此，有必要设计一种改进的纤维基湿度传感器及其制备方法，使制备纤维织物本身具有较高的湿度敏感性，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器及其制备方法。通过在含有亲水聚合物的纺丝液中加入导电物质和交联剂，经湿法纺丝制备具有导电性的超亲水纤维；并通过对导电物质、交联剂的加入量及湿法纺丝过程的工艺参数进行调控，使制备的超亲水纤维在外界湿刺激下发生形态变化，从而改变纤维中导电物质的排列方式，进而改变纤维的电阻，实现湿度传感的功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将亲水聚合物与水按照预设质量比混合后，再加入预定量的导电物质和交联剂，充分反应后得到纺丝液；

S2、对步骤S1得到的所述纺丝液进行湿法纺丝，得到超亲水纤维；

S3、将步骤S2得到的所述超亲水纤维加工成织物，得到基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述亲水聚合物与水的预设质量比为(10～30):(90～70)。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述导电物质的质量占所述亲水聚合物质量的3％～30％。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述交联剂的添加量占所述纺丝液质量的0.01％～0.5％；所述交联剂为多元有机酸或醛类化合物。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述湿法纺丝过程包括将所述纺丝液挤出至凝固浴中，并进行牵伸；所述挤出过程的速度为1～80m/min，所述牵伸的速度为1～500m/min，牵伸比为(1～20):1。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述超亲水纤维的直径为微米级，其截面为圆形、异形或皮芯结构。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述凝固浴的溶液包括但不限于乙醇、异丙醇、氯化钙、硫酸钠中的一种或多种混合。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述亲水聚合物为聚乙烯醇、海藻酸钠、纤维素、甲壳素中的一种或多种混合。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述导电物质为碳管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种混合。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器，该湿度传感器根据上述技术方案中任一技术方案制备得到。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在含有亲水聚合物的纺丝液中加入导电物质和交联剂，并进行湿法纺丝，不仅能够使制备的纤维具有导电性，还能够利用交联剂的交联改性作用使纤维同时具有较好的力学性能和优异的亲水性，从而得到能够满足应用需求的具有导电性的超亲水纤维。在受到外界湿刺激时，该超亲水纤维或吸湿膨胀，或吸湿变长，或吸湿弯曲，其自身能够产生可逆形变；将该超亲水纤维制成织物后，该织物便能够响应人体或外界的湿度变化，诱发其自身的形态改变，从而改变纤维中导电物质的排列方式，进而使纤维内部的电阻发生变化，利用电信号的改变来实现湿度传感的功能。

(2)本发明在制备超亲水纤维的过程中，通过对导电物质、交联剂的加入量及湿法纺丝过程的工艺参数进行调控，能够对制得的超亲水纤维的导电率及其吸湿变形量进行有效控制，以便制备不同变形规格及灵敏度的纤维基湿度传感器。此外，本发明采用的湿法纺丝能够不仅对设备的要求较低，还能够根据不同的应用需求便捷地对纤维的结构进行调整，以制备吸湿能力更强的异形纤维或成纤性和力学性能较好的皮芯结构纤维，从而满足不同场景下的应用需求，具有较高的应用价值。

(3)在不同的湿度条件下，本发明制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的电阻能够在50～2000Ω之间变化，具有较高的灵敏度；且该纤维基湿度传感器的制备工艺简单，生产成本低，可以工业化大规模生产，能够满足实际生产与应用的需求。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的可吸湿变电阻的超亲水纤维的实物图。

图2为实施例1～5制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的力学性能对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将亲水聚合物与水按照预设质量比混合后，再加入预定量的导电物质和交联剂，充分反应后得到纺丝液；

S2、对步骤S1得到的所述纺丝液进行湿法纺丝，得到超亲水纤维；

S3、将步骤S2得到的所述超亲水纤维加工成织物，得到基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器。

在步骤S1中，所述亲水聚合物与水的预设质量比为(10～30):(90～70)；所述导电物质的质量占所述亲水聚合物质量的3％～30％；所述交联剂的添加量占所述纺丝液质量的0.01％～0.5％；所述交联剂为多元有机酸或醛类化合物。

所述亲水聚合物为聚乙烯醇、海藻酸钠、纤维素、甲壳素中的一种或多种混合；所述导电物质为碳管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种混合。

在步骤S2中，所述湿法纺丝过程包括将所述纺丝液挤出至凝固浴中，并进行牵伸；所述挤出过程的速度为1～80m/min，所述牵伸的速度为1～500m/min，牵伸比为(1～20):1；所述超亲水纤维的直径为微米级，其截面为圆形、异形或皮芯结构；所述凝固浴的溶液包括但不限于乙醇、异丙醇、氯化钙、硫酸钠中的一种或多种混合。

本发明还提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器，该湿度传感器根据上述技术方案制备得到。

下面结合实施例及对比例对本发明提供的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器及其制备方法进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1、将聚乙烯醇与水按照质量比20：80混合后，再加入碳管和戊二醛，充分反应后得到纺丝液；其中，碳管的质量占聚乙烯醇质量的10％，戊二醛的添加量为0.06％。

S2、将步骤S1得到的所述纺丝液挤出至硫酸钠凝固浴中进行湿法纺丝，并控制挤出过程的速度为30m/min，牵伸的速度为300m/min，牵伸比为10:1，得到截面为圆形的超亲水纤维，其实物图如图1所示。

S3、将步骤S2得到的所述超亲水纤维加工成织物，得到基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器。

对本实施例制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器在不同湿度下的电阻进行测试，结果如表1所示。

表1实施例1制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器在不同湿度下的电阻

湿度	电阻(Ω)
		0％	100
30％	300
		60％	800
90％	1000

由表1可以看出，本实施例制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的电阻能够随湿度的变化发生明显的改变，表明湿度的变化能够诱导纤维内部的电阻发生变化，从而实现湿度传感的功能。

实施例2～5

实施例2～5分别提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S2中的牵伸比，实施例2～5的牵伸比分别为1:1、5:1、15:1和20:1。实施例2～5的其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。

对实施例1～5制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的力学性能进行测试，结果如图2所示。由图2可以看出，当牵伸比从1:1提高至5:1时，制得的纤维强度和韧性均明显提高；再继续将牵伸比提高至10:1时，纤维韧性持续提高，但强度反而降低；此后继续提高牵伸比，制得的纤维的强度和韧性均有所降低。由此可以看出，牵伸比的控制对于本发明提供的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的力学性能具有较大影响，为保证产品具有较好的力学性能，本发明优选牵伸比为(1～20):1。

进一步对实施例2～5制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器在不同湿度下的电阻进行测试，结果如表2所示。

表2实施例2～5制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器在不同湿度下的电阻

由表2可以看出，牵伸比增大时，纤维内部的导电物质被牵伸并定向排列，导电性变好，电阻变小。但牵伸太大会导致导电物质分布不均匀，甚至断路。因此，本发明优选牵伸比为(1～20):1，在此范围内制备的纤维基湿度传感器均能够使导电物质均匀分布，以保证制得的纤维基湿度传感器能够正常使用。

实施例6～14及对比例1～2

实施例6～14及对比例1分别提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤S1中碳管和戊二醛的添加量以及步骤S2中的牵伸速度，各实施例及对比例对应的原料添加量及牵伸速度如表1所示。实施例6～14及对比例1～2的其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。

表3实施例6～14及对比例1～2中碳管和戊二醛的添加量及湿法纺丝过程的牵伸速度

对实施例6～14及对比例1～2制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器力学性能及其在不同湿度下的电阻进行测试，结果如表4所示。

表4实施例6～14及对比例1～2制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的性能参数

由表4可以看出，通过调整碳管、戊二醛的添加量或牵伸速度能够对制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器在不同湿度下的电阻值进行调控。其中，碳管含量的降低能够使各湿度下传感器的电阻升高，但当碳管含量低至对比例1中的1.5％时，则制备的纤维中导电物质太小，导电性差，导致传感器灵敏度低，使用受限。同时，随着戊二醛添加量的增加，各湿度下传感器的电阻呈现先降低后升高的趋势，当对比例2中不添加戊二醛时，纤维的力学性能下降，导致其制备的纤维基湿度传感器在实际应用中受到织造的限制。

实施例15～21

实施例15～21分别提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了亲水聚合物和导电物质的种类，并改变了制备的超亲水纤维的截面结构；各实施例对应的原料种类及截面结构如表5所示，其中，实施例21的皮芯结构的皮层为纯聚乙烯醇纤维，芯层为聚乙烯醇/导电物质复合纤维。实施例15～21的其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。

表5实施例15～21中原料种类及截面结构

实施例	亲水聚合物	导电物质	截面结构
				实施例15	海藻酸钠	碳管	圆形
实施例16	纤维素	碳管	圆形
				实施例17	甲壳素	碳管	圆形
实施例18	聚乙烯醇	石墨烯	圆形
				实施例19	聚乙烯醇	银纳米线	圆形
实施例20	聚乙烯醇	碳管	五星型
				实施例21	聚乙烯醇	碳管	皮芯结构

对实施例15～21制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器力学性能及其在不同湿度下的电阻进行测试，结果如表6所示。

表6实施例15～21制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的性能参数

由表6可以看出，选择不同种类的亲水聚合物及导电物质均能够达到类似的湿度传感效果。

此外，进一步对实施例1、实施例20和实施例21制备的纤维基湿度传感器的吸湿响应速度及其力学性能进行测试可以发现：纤维截面结构的改变也会影响制备的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的性能。与实施例1中圆形的纤维截面相比，实施例20中纤维截面为异形的湿度传感器具有更好的吸湿能力，有利于提高纤维基湿度传感器的灵敏度，吸湿响应速度较快。同时，与实施例1单一的截面结构相比，实施例21中纤维截面为皮芯结构时制备的湿度传感器能够利用皮层良好的纺丝性能和力学性能，对纤维起到较好的支撑作用，以改善纤维基湿度传感器的力学性能。因此，基于本发明提供的湿法纺丝方式，能够便捷地对纤维的截面形态进行调整，进而对纤维基湿度传感器的性能进行调控，以满足不同的应用需求。

综上所述，本发明提供了一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器及其制备方法。该方法包括将亲水聚合物与水按照预设质量比混合后，再加入预定量的导电物质和交联剂，充分反应后得到纺丝液；对该纺丝液进行湿法纺丝后，得到超亲水纤维；再将得到的超亲水纤维加工成织物，得到基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器。通过上述方式，本发明不仅能够使制备的纤维具有导电性，还能够利用交联剂的交联改性使纤维同时具有较好的力学性能和优异的亲水性。在外界湿刺激下，该超亲水纤维能够产生可逆形变，从而改变纤维中导电物质的排列方式，进而使纤维内部的电阻发生变化，利用电信号的改变来实现湿度传感的功能，以满足纤维基湿度传感器的应用要求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将亲水聚合物与水按照预设质量比混合后，再加入预定量的导电物质和交联剂，充分反应后得到纺丝液；

S2、对步骤S1得到的所述纺丝液进行湿法纺丝，得到超亲水纤维；

S3、将步骤S2得到的所述超亲水纤维加工成织物，得到基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器。

2.根据权利要求1所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述亲水聚合物与水的预设质量比为(10～30):(90～70)。

3.根据权利要求1所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述导电物质的质量占所述亲水聚合物质量的3％～30％。

4.根据权利要求1所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述交联剂的添加量占所述纺丝液质量的0.01％～0.5％；所述交联剂为多元有机酸或醛类化合物。

5.根据权利要求1所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述湿法纺丝过程包括将所述纺丝液挤出至凝固浴中，并进行牵伸；所述挤出过程的速度为1～80m/min，所述牵伸的速度为1～500m/min，牵伸比为(1～20):1。

6.根据权利要求1所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述超亲水纤维的直径为微米级，其截面为圆形、异形或皮芯结构。

7.根据权利要求1所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述凝固浴的溶液包括但不限于乙醇、异丙醇、氯化钙、硫酸钠中的一种或多种混合。

8.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述亲水聚合物为聚乙烯醇、海藻酸钠、纤维素、甲壳素中的一种或多种混合。

9.根据权利要求1～8中任一权利要求所述的基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述导电物质为碳管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种混合。

10.一种基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器，其特征在于：所述基于吸湿变电阻的纤维基湿度传感器根据权利要求1～9中任一权利要求所述的制备方法制备得到。

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