一种氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜及其制备方法和应用，所述纤维膜由氯化钴/高分子聚合物复合微纳米纤维组成，所述微纳米纤维由溶液电纺法制得，微纳米纤维中的氯化钴与高分子聚合物的质量百分比为1:1，所述微纳米纤维的颜色、质量和电导率随湿度变化。该微纳米纤维膜对湿度灵敏，其颜色、质量、电导率都能随湿度变化，且制备方法简单，成本较低，适宜大批量生产，以该微纳米纤维膜作为湿敏材料的QCM质量型传感器具有响应时间短灵敏度高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜及其制备方法和应用，属 于纳米材料制备领域。

背景技术

湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下一定体积的空气里 含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。湿度对人们的 生产及工业生产有着密切的联系，因此对湿度的测量是一个非常重要的课题。 随着人们生活水平的提高，一种可以快速可视的湿度测试材料的需求越来越 迫切。不仅如此，现代科学技术和工业生产要求具有高精度，高灵敏度，可 靠稳定的湿敏元件。目前的湿度测量仪一般灵敏度不是特别高，反应较慢。 因此，制备具有高灵敏度、可变色的湿敏材料具有重要的意义。同时，能够 实现湿度变化的多源化(颜色、质量、电阻的变化)感应显示也具有深远的 意义。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的不足，提供一种氯化钴湿敏电纺微纳米纤 维膜及其制备方法和应用，该微纳米纤维膜对湿度灵敏，其颜色、质量、电 导率都能随湿度变化，且制备方法简单，成本较低，适宜大批量生产，以该 微纳米纤维膜作为湿敏材料的QCM质量型传感器具有响应时间短灵敏度高 的优点。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜，所述纤维膜由氯化钴/高分子聚合物 复合微纳米纤维组成，所述微纳米纤维由溶液电纺法制得，微纳米纤维中的 氯化钴与高分子聚合物的质量百分比为1:1，所述微纳米纤维的颜色、质量和 电导率随湿度变化。

该微纳米纤维膜由静电纺丝法制得，氯化钴与高分子聚合物混合，均匀 分布在纤维内，相较于现有的涂层式或表面印染式的彩色纤维，其颜色和性 能更加牢固稳定，同时由于氯化钴的湿敏特性，该微纳米纤维膜的颜色、质 量、电导率都能随湿度变化，静电纺丝法制得的纤维膜内部的微纳米纤维结 构，使得该膜材料具有优于块体材料和涂层材料的大比表面积，使其可以更 好的与空气中的水分接触，具有高度敏感的湿敏性能，氯化钴与高分子聚合 物的质量百分比为1:1的配比具有较好的可纺性，同时使该纤维在具有较敏感 的湿敏特性和较好的力学柔韧性能，适宜制备柔性器件。

进一步的，所述微纳米纤维的平均直径为200～400nm。

进一步的，所述微纳米纤维膜在干燥环境下为蓝色，在湿润环境下为粉 红色，所述微纳米纤维的电导率随湿度增大而增长，质量随湿度增大而增大。

进一步的，所述的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、 聚氧化乙烯、聚乙烯烷醇、聚乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、尼 龙中的一种或多种。

本发明还公开了一种QCM湿度传感器，该QCM湿度传感器以本发明的氯 化钴湿敏电纺微纳米纤维膜作为石英晶体微天平QCM质量型传感器的湿敏 材料。由于本发明的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜具有高度灵敏的湿敏性能， 在湿度变化时其质量和颜色都会随之快速变化，以该微纳米纤维膜作为湿敏 材料的QCM湿度传感器具有良好的湿敏性能，响应快，灵敏度高，同时，还 能够观测到湿敏材料的颜色变化，实现多源化的显示效果。

本发明还公开了一种湿敏电阻，该湿膜电阻包括本发明的氯化钴湿敏电 纺微纳米纤维膜。

本发明的有益效果为：本发明克服了现有技术的不足，提供了一种氯化 钴湿敏电纺微纳米纤维膜及其制备方法和应用，该微纳米纤维膜对湿度灵敏， 其颜色、质量、电导率都能随湿度变化，且制备方法简单，成本较低，适宜 大批量生产，以该微纳米纤维膜作为湿敏材料的QCM质量型传感器具有相应 时间短灵敏度高的优点。具体而言：

(1)该微纳米纤维膜由静电纺丝法制得，氯化钴与高分子聚合物混合， 均匀分布在纤维内，相较于现有的涂层式或表面印染式的彩色纤维，其颜色 和性能更加牢固稳定，同时由于氯化钴的湿敏特性，该微纳米纤维膜的颜色、 质量、电导率都能随湿度变化，可根据纤维膜的颜色初步判断环境湿度，也 可以根据其质量和电信号的变化精确计算测量环境湿度，静电纺丝法制得的 纤维膜内部的微纳米纤维结构，使得该膜材料有大比表面积、高孔隙率等特 点，使其可以更好的与空气中的水分接触，对湿度能够快速响应和恢复，具 有高度敏感的湿敏性能，同时氯化钴与高分子聚合物的结合也使其具有较好 的力学柔韧性能，适宜制备柔性器件。

(2)由于本发明的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜具有高度灵敏的湿敏 性能，在湿度变化时其质量、电导率和颜色都会随之快速变化，以该微纳米 纤维膜作为湿敏材料的QCM湿度传感器具有良好的湿膜性能，响应快，灵敏 度高，同时，还能够观测到湿敏材料的颜色变化，实现多源化的显示效果。 利用其电导率随湿度增大而增大的性能，还可以将其制备为具有高灵敏度的 湿敏电阻。

(3)该氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜的制备方法简单、设备易操作、重 复性好、便于推广。

附图说明

图1为实施例1的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜的扫描电镜图。

图2为实施例1的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜在不同湿度下的吸收光谱。

图3为实施例1的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜在不同湿度下的实物照片。

图4为实施例2的QCM湿度传感器在不同湿度情况下的频率变化响应曲线。

图5实施例2的QCM湿度传感器在RH12.4％和RH75.5％情况下交替变化 的频率响应曲线。

图6为实施例3的湿敏电阻的在恒定电压5伏情况下的吸湿、脱湿电流—湿 度曲线。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容 易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本 发明而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一种所述的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)配置纺丝前驱液：配置氯化钴的质量百分比含量为6％，尼龙的质 量百分比含量为6％，甲酸的质量百分比含量为88％的溶液，用磁力搅拌器将 溶液搅拌至溶质完全溶解得纺丝前驱液；

(2)电纺纤维：将配置好的纺丝前驱液用于静电纺丝，纺丝电压为25 千伏，纺丝距离为30厘米，将溶液纺成微纳米纤维，最终沉积为氯化钴湿敏 电纺微纳米纤维膜。所得纳米纤维膜的SEM照片如图1所示。所得纤维膜在 不同湿度下可变为不同的颜色，其在RH12％和RH97％的湿度环境下分别显 示蓝色和粉红色，相应的吸收光谱如图2所示，实物照片如图3所示。

实施例2

一种QCM湿度传感器，该传感器以实施例1制得的氯化钴湿敏电纺微纳 米纤维膜作为湿敏材料，氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜敷贴于石英晶体微天 平的电极上,所得QCM湿度传感器在不同湿度情况下的频率变化响应曲线如 图4所示，其在RH12.4％和RH75.5％情况下交替变化的频率响应曲线如图5 所示，由图4、图5可以看出该传感器具有良好的湿敏性能，对湿度变化响应 快且灵敏度高较高。从图5中可以看出，从RH12％到RH75％吸湿至平衡平 均时间约为62s，从RH75.5％到RH12.4％脱水至平衡平均时间约为23s。这比 目前许多文献中报道的湿敏材料响应都快得多。

实施例3

一种湿敏电阻的制备方法，包括以下步骤：

(1)配置纺丝前驱液：配置氯化钴的质量百分比含量为7％，聚丙烯腈 含量为7％，N-N二甲基甲酰胺含量为86％，用磁力搅拌器将溶液搅拌至溶质 完全溶解得纺丝前驱液；

(2)电纺纤维：将配置好的纺丝前驱液用于静电纺丝，纺丝电压为22 千伏，纺丝距离为15厘米，将一块叉指电极置于收集极板上，将溶液纺成纤 维膜，最终沉积在叉指电极上；

(3)电阻封装：将叉指电极周围多余的纤维膜减掉，然后将铺上纤维膜 的叉指电极封装于带孔洞的封装盒中，制成湿敏电阻。

将此湿敏电阻固接在固定电压为5伏的电压下，分别测试不同湿度下的 电流，最终测得的该湿敏电阻的电流—湿度曲线如图6所示。

实施例4

一种所述的氯化钴湿敏电纺微纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)配置纺丝前驱液：配置氯化钴的质量百分比含量为5％，聚偏氟乙 烯的质量百分比含量为5％，二甲基甲酰胺的质量百分比含量为45％，二甲基 亚砜的溶液的质量百分比含量为45％的溶液，用磁力搅拌器将溶液搅拌至溶 质完全溶解得纺丝前驱液；

(2)电纺纤维：将配置好的纺丝前驱液用于静电纺丝，纺丝电压为10 千伏，纺丝距离为5厘米，将溶液纺成微纳米纤维，最终沉积为氯化钴湿敏 电纺微纳米纤维膜。

以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质 上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方 法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围，本发明未 详尽说明处均为本领域技术人员所公知的现有技术，凡熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，利用以上所揭示的技术内容做 出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时， 凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更动、修饰与 演变，均仍属于本发明的技术方案的范围。