基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法

1.本发明涉及湿度检测技术领域，尤其涉及一种基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法。


背景技术：

2.空气湿度过高或过低都会影响人体的健康，随着人们对健康生活的关注，湿度控制也变得越来越重要。为了有效调节湿度环境，对空气湿度的检测是非常必要的。当前市面上用于湿度检测的大多数是电子产品，并且很少有直观的通过颜色可视化来提示湿度环境。而织物应用在日常生活的方方面面，如果能够将日常所穿的织物和颜色可视化的湿度检测结合起来，便可以随时随地对环境湿度进行检测。
3.例如，公开号为cn108314803a的专利提供了一种手性向列纤维素纳米晶体-丙三醇复合薄膜及其制备方法和应用，通过将手性向列纤维素纳米晶体分散液与丙三醇水溶液混合后成膜，使得到的手性向列纤维素纳米晶体-丙三醇复合薄膜不仅具有纤维素纳米晶体优良的光学特性，还具有丙三醇的湿度敏感特性，作为湿敏指示材料具有很好的湿度检测效果。然而，该方法需要制备相应的复合薄膜材料，如果要将其应用在现有的织物产品上，还需要将该复合薄膜进一步与织物产品复合，不能直接在现有的织物产品基础上进行湿度检测，增加了应用难度；同时，该复合薄膜材料的颜色从初始颜色变为相应湿度的指示颜色所需的时间为10～20min，指示颜色持续时间为3～5min，对湿度的响应较慢，难以满足实际应用的需求。
4.有鉴于此，有必要设计一种改进的全彩可视化智湿度检测方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.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智能织物的全彩可视化湿度检测方法，以较快的响应速度和较宽的响应范围实现全彩可视化湿度检测。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，包括如下步骤：
7.s1、将纤维素纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液按照预定的溶质质量比混合均匀，超声至溶液澄清后得到混合液；
8.s2、将步骤s1得到的所述混合液滴加到无纺布表面，进行自组装干燥，干燥完成后得到智能织物；
9.s3、对步骤s2得到所述智能织物进行剪裁，制备湿度检测条；
10.s4、向步骤s3得到的所述湿度检测条上滴加环己烷至所述无纺布变透明后，所述湿度检测条根据相对湿度的变化进行响应变色，实现可视化湿度检测。
11.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述溶质质量比为9:1～6:4。
12.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述纤维素纳米晶分散液的浓度为0.3wt％～1.5wt％，优选为0.8wt％。
13.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述纤维素纳米晶分散液是以纸浆板为原料，采用硫酸水解法制备而成。
14.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述聚乙烯醇水溶液的浓度为1wt％～3wt％，优选为2wt％。
15.作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，所述聚乙烯醇水溶液的制备方法为：将聚乙烯醇和纯水混合后，在60～80℃的水浴锅中加热搅拌至完全溶解。
16.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述无纺布固定于容器底部，所述混合液滴加于所述无纺布的上表面并在所述容器中形成至少5mm的液面高度。
17.作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，所述自组装干燥的方式：在室温状态下，使所述混合液在所述无纺布表面静置蒸发。
18.作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，所述湿度检测条的制备方法包括：将裁剪成长条状的智能织物沿长度方向划分为可视化响应区和密封区，对所述密封区进行封装，并在封装所述密封区时预留孔隙作为环己烷滴加区。
19.作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，还包括：根据所述湿度检测条在0％～100％的相对湿度环境下的颜色变化，制备所述湿度检测条的湿度检测比色卡；将所述湿度检测条的颜色与所述湿度检测比色卡进行比对后，即可测得相对湿度。
20.本发明的有益效果是：
21.1、本发明提供的基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，通过将纤维素纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液均匀混合后滴加到无纺布上进行自组装干燥，能够制得包含无纺布层和显色层的全彩变色智能织物；在此基础上，进一步向该智能织物上滴加环己烷，一方面能够使智能织物中的无纺布层变透明，提高显色层的光反射，使颜色变化更加明显；另一方面，环己烷在无纺布上的快速扩散及挥发导致试纸周围形成气压差，驱动空气中的水分在显色侧聚集，加速了显色层对空气中湿度的吸收并引发实时变色反应，提高显色层的响应速度。基于上述两方面的协同作用，滴加环己烷后的智能织物能够在不同湿度条件下快速响应变色，实现全彩可视化湿度检测。待环己烷和少量水分挥发完全，样条可再次使用，如此重复多次，样条湿度检测效果并无明显变化。
22.2、本发明提供的基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，通过将特定浓度的纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液混合，能够通过调控二者的溶质质量比对制得的智能织物本身的颜色进行调节，以提高色彩的丰富程度，满足不同条件下的应用需求；同时，聚乙烯醇作为亲水材料，在湿度检测过程中还有助于加快显色层对湿度的响应速度；并且，聚乙烯醇可有限渗入无纺布层，形成界面桥阶层，有效增强显色层和无纺布层之间的界面结合力，同时改善纤维素纳米晶的韧性，提高智能织物的综合性能。
23.3、本发明提供的基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法有效利用了纤维素纳米晶、聚乙烯醇、环己烷、无纺布之间的相互协同作用，以简单的工艺制备了能够全彩变色的智能织物，并使其具有全彩可视化湿度检测功能，且湿度响应速度快、湿度响应范围宽、可视化颜色明亮，可应用于日常生活中的湿度检测，在健康监测、智能纺织品等领域具有深远的应用前景。
附图说明
24.图1为实施例1中制备的智能织物的实物图。
25.图2为实施例1中制备的智能织物的断面的扫描电镜图。
26.图3为实施例1中制备的湿度检测条的结构示意图。
27.图4为实施例1中制备的湿度检测条在不同的相对湿度环境下的颜色变化实物图。
28.图5为实施例1中制备的湿度检测比色卡的示意图。
29.图6为对比例1中的纯纤维素纳米晶薄膜和对比例2中的无纺布上滴加环己烷前后的颜色变化对比图。
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.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。
33.为实现上述目的，本发明提供了一种基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，包括如下步骤：
34.s1、将纤维素纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液按照预定的溶质质量比混合均匀，超声至溶液澄清后得到混合液；
35.s2、将步骤s1得到的所述混合液滴加到无纺布表面，进行自组装干燥，干燥完成后得到智能织物；
36.s3、对步骤s2得到所述智能织物进行剪裁，制备湿度检测条；
37.s4、向步骤s3得到的所述湿度检测条上滴加环己烷至所述无纺布变透明后，所述湿度检测条根据相对湿度的变化进行响应变色，实现可视化湿度检测。
38.通过上述方式，本发明能够有效利用纤维素纳米晶、聚乙烯醇、环己烷、无纺布之间的相互协同作用，通过环己烷与无纺布相匹配的折射率使无纺布变透明，同时加速纤维素纳米晶对湿度的吸收，提高响应速度，实现全彩可视化湿度检测；同时利用聚乙烯醇进一步提高纤维素纳米晶的响应速度，并增强纤维素纳米晶的韧性及其与无纺布之间的界面结合力，提高智能织物的综合性能。其中，使用的无纺布与环己烷的折射率差值应小于0.08，滴加环己烷的无纺布的透明度可达到95％以上，且该差值越小，透明度越高。
39.在步骤s1中，所述溶质质量比为9:1～6:4；所述纤维素纳米晶分散液的浓度为0.3wt％～1.5wt％，优选为0.8wt％；所述聚乙烯醇水溶液的浓度为1wt％～3wt％，优选为2wt％。
40.其中，所述纤维素纳米晶分散液是以纸浆板为原料，采用硫酸水解法制备而成；所述聚乙烯醇水溶液的制备方法为：将聚乙烯醇和纯水混合后，在60～80℃的水浴锅中加热
搅拌至完全溶解。
41.在步骤s2中，所述无纺布固定于容器底部，所述混合液滴加于所述无纺布的上表面并在所述容器中形成至少5mm的液面高度，以保证在无纺布表面积累一定量的纤维素纳米晶；所述自组装干燥的方式：在室温状态下，使所述混合液在所述无纺布表面静置蒸发。
42.在步骤s3中，所述湿度检测条的制备方法包括：将裁剪成长条状的智能织物沿长度方向划分为可视化响应区和密封区，对所述密封区进行封装，并在封装所述密封区时预留孔隙作为环己烷滴加区。
43.在步骤s4中，还包括：根据所述湿度检测条在0％～100％的相对湿度环境下的颜色变化，制备所述湿度检测条的湿度检测比色卡；将所述湿度检测条的颜色与所述湿度检测比色卡进行比对后，即可测得相对湿度。
44.下面结合具体的实施例对本发明提供的基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法进行说明。
45.实施例1
46.本实施例提供了一种基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，包括如下步骤：
47.s1、使用浓度为64％的硫酸对25g纸浆板进行酸解，制备质量百分比浓度为0.8wt％的纤维素纳米晶分散液；将聚乙烯醇和纯水混合制成质量百分比浓度为2wt％的聚乙烯醇，在70℃的水浴锅中加热搅拌至完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液；取667μl的2wt％的聚乙烯醇水溶液加入到15ml的0.8wt％的纤维素纳米晶分散液中，使纤维素纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液的溶质质量比为9:1，通过细胞超声粉碎机在40％功率下超声4min后，溶液澄清，得到混合液。
48.s2、以直径为65mm的一次性塑料培养皿作为容器，将无纺布裁剪至与该容器底部大小一致后，利用双面胶将无纺布平铺紧贴在该容器的底部，然后将步骤s1得到的所述混合液缓慢滴加到无纺布表面，并在该容器中形成5mm的液面高度，然后将其置于室温状态下，使混合液在无纺布表面静置蒸发，进行自组装干燥，干燥完成后得到智能织物。该智能织物的实物图和断面的扫描电镜图分别如图1、图2所示。
49.其中，图1是在相对湿度为0％的环境下(烘箱中)拍摄得到，将其由烘箱中取出并置于不同湿度的环境下，其颜色不发生改变，表明在不滴加环己烷时，该智能织物不具备可视化的湿响应变色效果。
50.根据图2可以看出，该智能织物在微观尺度上依次包括柔性无纺布层(soft nw layer)、聚乙烯醇与无纺布复合层(pva/nw layer)、界面层(interfacial layer)以及纤维素纳米晶/聚乙烯醇复合显色层(cnc/pva color layer)。根据图2中各层的结构还能够看出，混合液中的聚乙烯醇能够渗透至无纺布层中并包裹住无纺布表面的纤维，有效增强了显色层和柔性无纺布层之间的界面结合力，有利于改善智能织物的力学性能，并防止显色层的脱落，提高智能织物的使用寿命。
51.s3、将步骤s2得到所述智能织物剪裁成1cm
×
4cm的长方形样条，并沿该样条的长度方向将其划分为可视化响应区和密封区，其中，密封区的长度约占四分之三；用透明胶包裹住样条的密封区，同时在透明胶上留出一个小孔隙作为环己烷滴加区，即得到制作完成的湿度检测条，其结构示意图如图3所示。
52.s4、向步骤s3得到的所述湿度检测条上的环己烷滴加区滴加4滴环己烷，环己烷迅
速扩散至整个无纺布，使无纺布变透明后，所述湿度检测条即可根据相对湿度的变化进行响应变色，实现可视化湿度检测。
53.在本实施例中，将该湿度检测条分别置于38％、48％、62％、72％、81％的条件下进行湿度检测，得到如图4所示的颜色变化照片。
54.在图4中，最左侧的检测条为背面照片，其余为正面照片；最左侧的背面照片为未滴加环己烷的状态，此时无纺布呈白色；由检测条背面的环己烷滴加区滴加环己烷后，约30s后湿度检测条的可视化响应区即响应变色，在不同相对湿度环境下呈现不同的颜色，且颜色差异肉眼即可辨认，实现了全彩可视化湿度检测。可视化响应区在不同湿度环境下所呈现的颜色能够持续约120s，在环己烷挥发后颜色色度减弱，再重复滴加环己烷又可使其重新显色，该过程可逆，环己烷可根据需要重复滴加。
55.通过进一步调整相对湿度环境，在0％～100％的相对湿度范围内进行多次反复实验，即可得出如图5所示的湿度检测比色卡，通过将湿度检测条上可视化响应区的颜色与所述湿度检测比色卡进行比对后，即可测得相对湿度。
56.由图5可以看出，本实施例提供的湿度检测条具有非常宽的湿度检测范围，在0％～100％的相对湿度范围内均能响应变色，且颜色范围覆盖蓝色、绿色、黄色、红色及透明，色彩丰富、颜色明亮，肉眼易于分辨。
57.通过上述内容可以看出，本实施例中制备的湿度检测条在滴加环己烷后即可实现全彩可视化湿度检测，且湿度检测条的制备过程及其检测过程均简单易行，检测过程响应速度快、响应范围宽，可视化颜色明亮，可应用于日常生活中的湿度检测，在健康监测、智能纺织品等领域具有深远的应用前景。
58.对比例1～2
59.对比例1提供了一种纯纤维素纳米晶薄膜，采用如下方法制备得到：
60.将15ml浓度为0.8wt％的纤维素纳米晶分散液置于培养皿中，在室温下将其静置，待其自然蒸发成膜后，按照实施例1中的湿度检测条的尺寸对其进行裁剪。
61.该纯纤维素纳米晶薄膜呈蓝色，将其放置于不同相对湿度的条件下，肉眼观察不到颜色变化，无法用于可视化湿度检测。
62.对比例2为纯无纺布，该无纺布与实施例1中使用的一致，且同样按照实施例1中的湿度检测条的尺寸进行裁剪。
63.分别在对比例1提供的纯纤维素纳米晶薄膜和对比例2提供的无纺布上滴加环己烷，其颜色变化情况如图6所示。由图6中的a可以看出，纯纤维素纳米晶薄膜上滴加环己烷后，其颜色仍为蓝色，并不会变透明；由图6中的b可以看出，滴加了环己烷的无纺布呈透明状态。
64.进一步将滴加有环己烷的纯纤维素纳米晶薄膜放置于不同湿度条件下，其颜色始终呈蓝色，不会随湿度变化而变色，即使将该滴加有环己烷的纯纤维素纳米晶薄膜贴合于透明的培养皿中，依然无法观察到颜色变化，无法实现可视化湿度检测。
65.对比例3
66.本对比例提供了一种基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，与实施例1相比，区别在于步骤s1中未添加聚乙烯醇水溶液，仅将纤维素纳米晶分散液滴加到无纺布表面，经自组装干燥制备了智能织物，并按照与实施例1相同的方式将其制成湿度检测条。
67.向本对比例制得的湿度检测条中滴加环己烷后，约42s后即可在不同相对湿度环境下呈现不同的颜色，能够实现可视化湿度检测。
68.与实施例1相比，本对比例的湿度响应速度明显变慢，且聚乙烯醇的缺失导致湿度检测条中的显色层与无纺布层之间的结合力减弱，影响其实际应用效果。
69.实施例2～4
70.实施例2～4分别提供了一种基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤s1中纤维素纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液的溶质质量比，其余步骤均与实施例1一致，在此不再赘述。
71.其中，实施例2～4中纤维素纳米晶分散液和聚乙烯醇水溶液的溶质质量比分别为8:2、7:3、6:4，制得的智能织物的颜色分别为绿色、黄色和红色，这些智能织物在滴加环己烷后均能够根据相对湿度的变化进行响应变色，其响应速度和响应范围均与实施例1基本一致。
72.需要说明的是，本领域技术人员应当理解，在本发明提供的基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法中，纤维素纳米晶分散液的浓度和聚乙烯醇水溶液的浓度均可以根据需要在适当范围内进行调整，其中，纤维素纳米晶分散液的浓度优选为0.3wt％～1.5wt％，聚乙烯醇水溶液的浓度优选为1wt％～3wt％。
73.综上所述，本发明提供的基于智能织物的全彩可视化湿度检测方法正是有效利用了纤维素纳米晶、聚乙烯醇、环己烷、无纺布之间的相互协同作用，才能够以简单的工艺实现了智能织物的全彩可视化湿度检测。如果缺少了环己烷或无纺布中的任意一种，都无法实现所需的可视化湿度检测；如果缺少了聚乙烯醇，虽然仍可实现可视化湿度检测，但湿度响应速度明显变慢，且显色层与无纺布之间结合力较弱，影响实际应用效果。基于此，本发明提供的方法有效利用了各物质之间的协同作用，在实现可视化湿度检测的同时，还具有湿度响应速度快、湿度响应范围宽、可视化颜色明亮的优点，且显色层与无纺布层之间具有较强的结合力，能够满足实际应用的需求，具有较高的实际应用价值。
74.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。