一种仿蛛网的棉织物基柔性湿度传感器的制备方法

1.本发明涉及一种功能性棉织物的制备方法，特别涉及一种仿蛛网的棉织物基柔性湿度传感器的制备方法。


背景技术：

2.人们需要了解自己的健康状况，可用于健康监测和疾病监测的小型、方便的可穿戴电子产品越来越受到关注。可穿戴微环境湿度监测产品已被证明是新一代临床病理检测技术，是监测人类在睡眠、休息和运动。作为可穿戴智能电子产品，除了对传感能力的要求外，还应具有柔软、透气、灵活、耐用等特点，而棉织物作为常用纺织品之一，可以满足上述要求。到目前为止，构建基于棉织物或棉纤维的可穿戴湿度传感器的方法依赖于涂层技术。allison等人通过在棉织物上涂覆聚(3,4-乙二氧噻吩):氯仿来实现对口罩微环境湿度下人体呼吸状态的监测。maity等人将聚氨酯复合材料涂在棉织物上的碳纳米管，以实现特定湿度范围的检测。虽然这些方法以棉织物为基材获得了柔性湿度传感器，但仍有重大挑战需要克服。例如，纺织品由紧密纤维编织而成，与薄膜或纸基的松散纤维相比，紧密纤维受水分刺激的变形更小，从而导致棉织物基传感器的灵敏度较低，纺织品的响应和恢复时间较长。此外，为了承受由身体运动引起的磨损和摩擦，导电材料需要通过添加交联剂或使用涂层剂粘合到棉织物表面，这可能会导致棉织物服用性能变差等问题。本研究在棉织物微溶解技术基础上，以蜘蛛网结构为灵感，设计了一种由纤维素节点构成的碳纳米管湿敏网络的棉织物基湿度传感器。首先，在棉织物表面沉积导电的碳纳米管网络层，然后采用纤维素良好溶剂——铜氨溶液通过微溶解处理棉织物，使织物表面的纤维素分子被溶解而织物内部大分子不受影响，溶解的纤维素大分子能粘附碳纳米管网络层。随后，在缓慢热处理（40
°
c~50
°
c）过程中，铜氨溶液中的氨和水以气体形式挥发，表层挥发较快，铜氨溶液携带溶解的少部分纤维素大分子向碳纳米管网络层迁移。由于氨的沸点低于水，故迁移到碳纳米管网络层中的纤维素大分子逐渐相互靠近而凝固，在碳纳米管网络结构中形成纤维素凝固点，每个纤维素凝固点会粘接数根碳纳米管，构成了连通碳纳米管网络的节点（类似蜘蛛网的节点）。当受到外部湿度的刺激时，这些纤维素节点由于具有大比表面积而会迅速膨胀，节点中碳纳米管之间的连通性下降，导致导电棉织物的电阻下降，即将湿度刺激转换为电信号，就像蜘蛛通过节点的振动立即感知到猎物的存在一样。制备的棉织物湿度传感器具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、结构牢固性好等优点。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单易行、适用于规模化生产的具有湿度传感功能棉织物的制备方法，其制备的功能棉织物在湿度传感上具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、结构牢固性好等优点。
4.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种仿蛛网的棉织物基柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过真空辅助，将碳纳米管分散液中的碳纳米管沉积到棉织物上，经过多次沉积后，在棉织物的两侧覆盖均匀分布的碳纳米管网络层；步骤2：制备铜氨溶液作为微溶解处理液；步骤3：将覆盖碳纳米管网络层的棉织物在15
°
c微溶液处理液浸泡，3 min后将棉织物从微溶液处理液中取出；步骤4：将经步骤3处理的棉织物加热，直至棉织物完全干燥；步骤5：最后将上述处理后的棉织物取出，水洗、烘干，制备得到具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、结构牢固性好等优点的湿度传感功能棉织物。
5.优选地，所述步骤1中，碳纳米管分散液浓度为2.5 g/l ~ 7.5 g/l 。
6.优选地，所述步骤2中，铜氨溶液采用氢氧化铜（0.5g~1.0g）完全溶解于100ml氨水制备得到。
7.优选地，所述步骤4中，加热温度为40
°
c~50
°
c。
8.本发明首先在棉织物表面沉积导电的碳纳米管网络层，然后采用铜氨溶液通过微溶解处理棉织物，使织物表面的纤维素分子被溶解而织物内部大分子不受影响，溶解的纤维素大分子能粘附碳纳米管网络层。随后，在缓慢热处理（40
°
c~50
°
c）过程中，铜氨溶液中的氨和水以气体形式挥发，表层挥发较快，铜氨溶液携带溶解的少部分纤维素大分子向碳纳米管网络层迁移。由于氨的沸点低于水，故迁移到碳纳米管网络层中的纤维素大分子逐渐相互靠近而凝固，在碳纳米管网络结构中形成纤维素凝固点，每个纤维素凝固点会粘接数根碳纳米管，构成了连通碳纳米管网络的节点（类似蜘蛛网的节点）。当受到外部湿度的刺激时，这些纤维素节点由于具有大比表面积而会迅速膨胀，节点中碳纳米管之间的连通性下降，导致导电棉织物的电阻下降，即将湿度刺激转换为电信号，就像蜘蛛通过节点的振动立即感知到猎物的存在一样。制备的棉织物湿度传感器具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、结构牢固性好等优点。
9.相比现有技术，本发明提供的方法具有如下有益效果：（1）方法及工艺过程简单，效率高，无需特殊设备；（2）原料成本低，有利于规模化生产；（3）制备过程在水相中进行，不需要添加任何有机溶剂，环境友好；（4）功能棉织物具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短的湿度传感性，且结构牢固性好。
附图说明
10.图1为实施例1制备得到的具有湿度传感功能的棉织物的扫描电镜图。
具体实施方式
11.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
12.实施例1
（1）通过真空辅助，将2.5 g/l碳纳米管分散液中的碳纳米管沉积到棉织物上，经过多次沉积后，在棉织物的两侧覆盖均匀分布的碳纳米管网络层；（2）将1.0g氢氧化铜完全溶解于100ml氨水制备得到制备铜氨溶液，作为微溶解处理液；（3）将覆盖碳纳米管网络层的棉织物在15
°
c微溶液处理液浸泡，3 min后将棉织物从微溶液处理液中取出；（4）将经步骤（3）处理的棉织物于40
°
c加热，直至棉织物完全干燥；（5）最后，将上述处理后的棉织物取出，水洗、烘干，制备得到具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、结构牢固性好等优点的湿度传感功能棉织物。产物的sem图见附图1。织物对湿度的最大响应为50%，湿度响应和恢复时间分别为345 s和200 s；在50次从11%到98%rh的动态循环测试后，传感器的响应信号漂移小于5%。没有明显的下降；织物可耐受50次弯折，20次摩擦测试，或3个月存放后，传感器的响应信号漂移约为5%。
13.实施例2（1）通过真空辅助，将7.5 g/l碳纳米管分散液中的碳纳米管沉积到棉织物上，经过多次沉积后，在棉织物的两侧覆盖均匀分布的碳纳米管网络层；（2）将0.5g氢氧化铜完全溶解于100ml氨水制备得到制备铜氨溶液，作为微溶解处理液；（3）将覆盖碳纳米管网络层的棉织物在15
°
c微溶液处理液浸泡，3 min后将棉织物从微溶液处理液中取出；（4）将经步骤（3）处理的棉织物于50
°
c加热，直至棉织物完全干燥；（5）最后，将上述处理后的棉织物取出，水洗、烘干，制备得到具有检测范围宽、灵敏度高、响应时间短、结构牢固性好等优点的湿度传感功能棉织物。织物对湿度的最大响应为20%，湿度响应和恢复时间分别为352 s和200 s；在50次从11%到98%rh的动态循环测试后，传感器的响应信号漂移小于6%。没有明显的下降；织物可耐受50次弯折，20次摩擦测试，或3个月存放后，传感器的响应信号漂移约为6%。