利用电纺丝法制备快速响应－恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其步骤如下： （１）将０．０１～０．５０ｇ碱金属盐或碱土金属盐溶解或分散于５～１０ｍｌ无水乙醇，在干燥条件下搅拌１５～３０分钟使其完全溶解或分散，再加入０．３～０．５ｇ高分子模板化合物，在干燥室温条件下搅拌６～８小时，使高分子彻底溶解； （２）将１．０～２．０ｇ二氧化钛前驱体加入体积为２－５ｍｌ无水乙醇，同时加入等体积的乙酸做稳定剂，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀，然后将获得的二氧化钛前驱体溶液快速加入步骤（１）的溶液中； （３）干燥条件下继续搅拌１５～６０分钟，待混合均匀后，将步骤（２）获得的混合溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为０．５～３ｍｍ，以铝套为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，进行电纺丝，然后将在阴极板上获得的含高分子模板的纳米纤维膜在４００～７００℃烧结３～５小时以除去高分子模板，从而得到纤维直径５０～３００ｎｍ，具有快速响应－恢复速率的二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陶瓷基湿敏传感器制备技术，具体涉及一种利用电纺丝技术制备 快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器的方法。
技术介绍
随着科技的发展以及人民生活质量的提高，监测和控制环境湿度在创造舒适 生活条件及工业生产过程中得到了越来越广泛的重视。随着智能纳米材料的提出， 纳米尺度的湿度传感器在电子元器件和精密仪器的制备、纺织、制药、食品保鲜、 空调等领域得到了广泛的应用。虽然目前人们已经制备出多种纳米级湿度传感器， 但是其低灵敏度、低响应-恢复速度、低稳定性、低寿命，限制了其应用范围及发 展空间。目前，还没有见到可以利用电纺丝法来制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤 维湿敏传感器的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用电纺丝法制备快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维 湿敏传感器的方法，通过该方法可以制备出响应时间和恢复时间均为1-10秒的陶 瓷基纳米纤维湿敏传感器。采用该方法制备的快速响应-恢复陶瓷基纳米纤维湿敏传感器，不但具有快速 的响应-恢复时间，其他技术指标如灵敏度、稳定性、使用寿命以及湿敏特性等均 达到国际同类产品中的先进水平，可以满足工业技术的要求，能在微电子工业、 纺织、制药、民用等领域中获得较大的应用。本专利技术方法步骤如下1、 二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器制备步骤如下(1) 将0.01~0.50g碱金属盐或碱土金属盐溶解或分散于5~10ml无水乙醇， 在干燥条件下搅拌15~30分钟使其完全溶解或分散，再加入0.3~0.5g 高分子模板化合物，在干燥室温条件下搅拌6~8小时，使高分子彻底 溶解；(2) 将1.0 2.0g二氧化钛前驱体加入体积为2-5ml无水乙醇，同时加入等 体积的乙酸做稳定剂，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀，然后将获得的二氧化钛前驱体溶液快速加入步骤(1)的溶液中；(3)干燥条件下继续搅拌15~60分钟，待混合均匀后，将步骤(2)获得的 混合溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为 0.5~3mm，以铝套为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，两极板间距离 为10~30cm，施加电压为6~30 KV进行电纺丝，经过18~54小时纺 丝后，将在阴极板上获得的含高分子模板的纳米纤维膜在400~700°C 烧结3~5小时以除去高分子模板，从而得到纤维直径50~300nm，具 有快速响应一恢复速率的二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器。2、氧化锌或三氧化二铁基纳米纤维湿敏传感器制备步骤如下(1) 将0.5~2.0g水溶性高分子加入10~20 ml蒸馏水中，在10(TC下加热 回流4~6小时，至溶液完全澄清，冷却到室温后，向体系中加入0.1~0.3 ml的表面活性剂搅拌1 3小时，使其混合均匀；(2) 将0.5~1.5g可溶性锌盐或铁盐加入5~10ml蒸馏水中，再加入 0.01~0.50g碱金属盐或碱土金属盐，搅拌至溶解，再将该混合溶液加 入步骤(1)溶液中；(3) 继续搅拌1~3小时，使溶液混合均匀，将溶液放入电纺丝设备的玻璃 喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为0.5~3mm，以铜电极为阳极，用铝箔 作为阴极接受产物，两极板间距离为10~30cm，施加电压为6 30KV 进行电纺丝，经过18~54小时纺丝后，将在阴极极板上获得的含水溶 性高分子的纳米纤维膜置于真空烘箱中，在70 8(TC下烘干6~8小时， 然后在400 70(TC下烧结3~5小时以除去水溶性高分子，从而得到纤 维直径50~300nm，具有快速响应-恢复速率的氧化锌或三氧化二铁基 纳米纤维湿敏传感器。本专利技术方法1中所述的碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾，碱土金属盐是 氯化镁或氯化钙；碱金属盐或碱土金属盐由于易吸水或吸潮，需经过处理后方可 使用，将金属盐放入真空烘箱，12(TC下烘6 12小时，除去水分或结晶水，放在 真空干燥器中备用。所述的高分子模板化合物是聚乙烯吡咯烷酮(或聚乙烯醇等)； 所述的二氧化钛前驱体是钛酸丁酯(或四异丙氧基钛等)；所述的稳定剂是乙酸 (或浓盐酸等)。本专利技术方法2中所述的水溶性高分子是聚乙烯醇或聚乙烯吡咯垸酮；所述的 可溶性锌盐是醋酸锌或硝酸锌；所述的可溶性铁盐是硝酸铁或氯化铁；所述的碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾；所述的碱土金属盐是氯化镁或氯化钙；表面活性剂是曲拉通-x1009 (Triton-x100)。所有高分子原料及表面活性剂均可从美国Aldrich化学试剂公司以商品形式 获得，所有金属盐及溶剂均可从天津天泰精细化学品有限公司以商品形式获得。本专利技术的机制可做如下理解可溶性金属盐或氧化物前驱体与高分子混合溶 解后进行高压混纺，得到以高分子为模板的复合纤维。根据所选的金属前驱体和 高分子，选择适合的烧结温度和升温程序，在高温下将复合纤维中的高分子模板 烧除，同时使氧化物前驱体在高温下氧化并结晶，形成陶瓷氧化物基纳米纤维。陶瓷基湿敏传感器的作用机理为当水分子碰撞到陶瓷表面时，部分发生解离，与金属氧化物(二氧化钛、氧化锌、三氧化二铁等)中的离子形成氢氧化物， 使材料瞬时电阻降低从而产生湿敏活性。这就要求性能优良的湿敏传感器需要有 足够大的比表面积和足够多的离子。本专利技术所制得的陶瓷基纳米纤维具有很大的 比表面积，易于吸附水分，而碱金属或碱土金属离子的引入一方面增加了材料的 活性离子，另一方面降低了材料的本征电阻，从而提高了材料的灵敏度，大大降 低了传感器的响应恢复速率。本方法首次在国际上成功的制备出具有快速响应-恢复速率的陶瓷基纳米纤 维湿敏传感器，具有制备工艺简单，便于操作和重复等优点，且生产设备简单方 便，对生产条件要求较低，生产成本低廉。所得湿敏传感器不但具有超快的响应-恢复速率，其他各项相关技术指标均达到或超过国际先进水平，具有良好的市场 应用前景，易于推广和应用。附图说明图1:为本专利技术所使用的电纺丝设备工作示意图； 图2:实施例3所制得的二氧化钛/氯化锂复合纤维扫描电镜照片； 图3:实施例6所制得的二氧化钛/氯化钾复合纤维扫描电镜照片； 图4:实施例12所制得的二氧化钛/氯化钠复合纤维扫描电镜照片； 图5:实施例18所制得的二氧化钛/氯化钙复合纤维扫描电镜照片； 图6:实施例22所制得的二氧化钛/氯化镁复合纤维扫描电镜照片； 图7:实施例27所制得的氧化锌/氯化锂复合纤维扫描电镜照片； 图8:实施例33所制得的氧化锌/氯化钾复合纤维扫描电镜照片； 图9:实施例39所制得的氧化锌/氯化镁复合纤维扫描电镜照片； 图10:实施例42所制得的氧化铁/氯化锂复合纤维扫描电镜照片； 图11:实施例48所制得的氧化铁/氯化钾复合纤维扫描电镜照片；图12:实施例51所制得的氧化铁/氯化钙复合纤维扫描电镜照片；图13:实施例3、 6、 12、 18和22所制得的二氧化钛复合纤维与纯二氧化钛纤维的湿敏测试对比曲线；图14:实施例27、 33、 36和39所制得的氧化锌复合纤维与纯氧化锌纤维的湿敏测试对比曲线；图15:实施例42、 45、 48、 51和54所制得的三氧化二铁纤维湿敏测试曲线；图16:实施例8所制得的二氧化钛/氯化钾复合纤维响应-恢复曲线(十次循环)；图17:实施例27所制得的氧化锌/氯化锂复合纤维响应-恢复曲线(十次循环)；图18:实施例42所制得的三氧化二铁/氯化锂复合纤维响应-恢复曲本文档来自技高网...
【技术保护点】
利用电纺丝法制备快速响应－恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其步骤如下：（１）将０．０１～０．５０ｇ碱金属盐或碱土金属盐溶解或分散于５～１０ｍｌ无水乙醇，在干燥条件下搅拌１５～３０分钟使其完全溶解或分散，再加入０．３～０．５ｇ高分子模板化合物，在干燥室温条件下搅拌６～８小时，使高分子彻底溶解；（２）将１．０～２．０ｇ二氧化钛前驱体加入体积为２－５ｍｌ无水乙醇，同时加入等体积的乙酸做稳定剂，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀，然后将获得的二氧化钛前驱体溶液快速加入步骤（１）的溶液中；（３）干燥条件下继续搅拌１５～６０分钟，待混合均匀后，将步骤（２）获得的混合溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为０．５～３ｍｍ，以铝套为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，进行电纺丝，然后将在阴极板上获得的含高分子模板的纳米纤维膜在４００～７００℃烧结３～５小时以除去高分子模板，从而得到纤维直径５０～３００ｎｍ，具有快速响应－恢复速率的二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器。
【技术特征摘要】
1、利用电纺丝法制备快速响应-恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其步骤如下(1)将0.01～0.50g碱金属盐或碱土金属盐溶解或分散于5～10ml无水乙醇，在干燥条件下搅拌15～30分钟使其完全溶解或分散，再加入0.3～0.5g高分子模板化合物，在干燥室温条件下搅拌6～8小时，使高分子彻底溶解；(2)将1.0～2.0g二氧化钛前驱体加入体积为2-5ml无水乙醇，同时加入等体积的乙酸做稳定剂，干燥条件下剧烈搅拌使其混合均匀，然后将获得的二氧化钛前驱体溶液快速加入步骤(1)的溶液中；(3)干燥条件下继续搅拌15～60分钟，待混合均匀后，将步骤(2)获得的混合溶液放入电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管头内径为0.5～3mm，以铝套为阳极，用铝箔作为阴极接受产物，进行电纺丝，然后将在阴极板上获得的含高分子模板的纳米纤维膜在400～700℃烧结3～5小时以除去高分子模板，从而得到纤维直径50～300nm，具有快速响应-恢复速率的二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器。2、 如权利要求1所述的利用电纺丝法制备快速响应-恢复二氧化钛基纳米纤维湿 敏传感器，其特征在于碱金属盐是氯化锂、氯化钠或氯化钾；碱土金属盐是氯化钙或氯化镁。3、 如权利要求1所述的利用电纺丝法制备快速响应-恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其特征在于高分子模板是聚乙烯吡咯垸酮。4、 如权利要求1所述的利用电纺丝法制备快速响应-恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其特征在于二氧化钛前驱体是钛酸丁酯。5、 如权利要求1所述的利用电纺丝法制备快速响应-恢复二氧化钛基纳米纤维湿敏传感器，其特征在于稳定剂是乙酸。6、 利用电纺丝法制备快速响应-恢复氧化锌或三氧化二铁基纳米纤维湿敏传...
【专利技术属性】
技术研发人员：王策，张弘楠，李振宇，郑伟，王威，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82
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