湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法及其应用

本发明属于湿度传感材料领域，涉及一种具有高度可控性的非接触式湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法及其应用。
背景技术：
：湿度检测在工业、农业及环境领域有着十分重要的作用。目前的湿敏薄膜主要有半导体氧化物、高分子聚合物等材料，存在对湿度的响应较慢、响应变化不够显著、响应不可控等缺点，难以适应复杂的环境条件。因此，迫切需要发明一种湿度响应可控、响应变化敏感、可多次使用，并能应用于多种实际环境中的湿敏薄膜。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供一种湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法及其应用，通过静电纺丝工艺制备了具有独特凹槽结构的有序醋酸纤维素(ca)纤维薄膜，它可以表现出优异的湿度敏感性；通过快速气相沉积将al导电层紧紧地涂覆在ca薄膜的背面，使其同时保持高柔韧性和稳定的导电性；其在受湿情况下具有敏感可控的可变形性，且在干燥环境可以较高速率恢复至原本的形状；其湿度响应过程具有可重复性。它可以通过非接触方式以稳定的信号输出来检测薄膜附件的湿度，这在智能控制和可穿戴式医疗器件领域有很广泛的应用前景。本发明的技术方案是：湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法，具体步骤如下：步骤(1.1)、配制15wt.％-20wt.％的含醋酸纤维素的醋酸溶液，在37℃的恒温下搅拌溶解，从而得到前驱体溶液；步骤(1.2)、利用静电纺丝装置，将得到的前驱体溶液制成醋酸纤维素薄膜；步骤(1.3)、在真空室中，使用铝靶在高纯度氩气和氮气的混合气体中通过气相沉积装置将铝靶气相沉积在醋酸纤维素薄膜上，从而得到醋酸纤维素/铝双层复合纳米纤维膜；步骤(1.4)、将得到的醋酸纤维素/铝双层复合纳米纤维膜裁减成0.25cm×1.0cm的长方形状，从而得到具有湿度响应功能的湿度响应双层复合纳米纤维膜。进一步的，在步骤(1.1)中，所述醋酸纤维素的分子量为30000。进一步的，在步骤(1.2)中，所述的静电纺丝装置包括注射器、电源及滚筒；所述注射器一端的金属针头通过有线线路连接在电源上，所述滚筒通过有线线路连接在电源上；其中，所述注射器的金属针头与滚筒之间的距离为10-15cm，其液体流速为0.5-4ml/h，电压为25kv，滚筒的转速为2000rpm·min-1，环境温度为25℃，湿度≤30wt.％，纺丝时间为15min。进一步的，在步骤(1.3)中，所述真空室的压力为10-3pa，氩气和氮气的浓度为99.9999％，铝靶气相沉积的速率为50nm·min-1；由铝靶气相沉积得到的铝层与醋酸纤维素层厚度比为1:5。进一步的，通过所述湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法制得的湿度响应双层复合纳米纤维膜。进一步的，所述制得的湿度响应双层复合纳米纤维膜在智能控制领域的应用。进一步的，所述制得的湿度响应双层复合纳米纤维膜在可穿戴医疗器件领域的应用。本发明的有益效果是：本发明通过静电纺丝和气相沉积技术所制备的纤维素/铝纳米纤维，提供了一种湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法及其应用；本发明制备的具有湿度响应功能的湿度响应双层复合纳米纤维膜柔韧性高、导电性良好、对湿度响应敏感且可控，可用于穿戴式医疗器件和智能控制等领域。附图说明图1是本发明中湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备流程示意图；图2是本发明中静电纺丝装置的技术原理示意图；图3是本发明中气相沉积的技术示意图；图4是本发明中与纤维丝的夹角为45°方向作为长边，把试验测试样品裁成边长为0.25cm×1.0cm的长方形湿度响应双层复合纳米纤维膜受湿变形前后的示意图；图5是本发明中湿度响应双层复合纳米纤维膜应用于除湿机的模拟试验图；图6是本发明中湿度响应双层复合纳米纤维膜应用于干发仪的模拟试验图。图7是本发明中湿度响应双层复合纳米纤维膜应用于可穿戴式手指汗液检测装置的模拟试验图。图8是本发明中湿度响应双层复合纳米纤维膜应用于可穿戴式手腕汗液检测装置的模拟试验图。具体实施方式为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法，具体步骤如下：步骤(1.1)、配制15wt.％-20wt.％的含醋酸纤维素的醋酸溶液，在37℃的恒温下搅拌溶解，从而得到前驱体溶液；步骤(1.2)、利用静电纺丝装置，将得到的前驱体溶液制成醋酸纤维素薄膜；步骤(1.3)、在真空室中，使用铝靶在高纯度氩气和氮气的混合气体中通过气相沉积装置将铝靶气相沉积在醋酸纤维素薄膜上，从而得到醋酸纤维素/铝双层复合纳米纤维膜；步骤(1.4)、将得到的醋酸纤维素/铝双层复合纳米纤维膜裁减成0.25cm×1.0cm的长方形状，从而得到具有湿度响应功能的湿度响应双层复合纳米纤维膜。进一步的，在步骤(1.1)中，所述醋酸纤维素的分子量为30000。进一步的，在步骤(1.2)中，所述的静电纺丝装置包括注射器、电源及滚筒；所述注射器一端的金属针头通过有线线路连接在电源上，所述滚筒通过有线线路连接在电源上；其中，所述注射器的金属针头与滚筒之间的距离为10-15cm，其液体流速为0.5-4ml/h，电压为25kv，滚筒的转速为2000rpm·min-1，环境温度为25℃，湿度≤30wt.％，纺丝时间为15min；其中，采用金属针头为不锈钢工业实验针，23g针头。进一步的，在步骤(1.3)中，所述真空室的压力为10-3pa，氩气和氮气的浓度为99.9999％，铝靶气相沉积的速率为50nm·min-1；由铝靶气相沉积得到的铝层与醋酸纤维素层厚度比为1:5。进一步的，通过所述湿度响应双层复合纳米纤维膜的制备方法制得的湿度响应双层复合纳米纤维膜。进一步的，所述制得的湿度响应双层复合纳米纤维膜在智能控制领域的应用。进一步的，所述制得的湿度响应双层复合纳米纤维膜在可穿戴医疗器件领域的应用。实施例1a、采用静电纺丝法制备湿度响应双层复合纳米纤维膜：首先，制备前驱液：将1.7g醋酸纤维素片状固体与8.3ml醋酸混合，在37℃加热搅拌使其完全溶解，得到无色透明的前驱体溶液。其次，将混合均匀的前驱体溶液注入10ml注射器，设定纺丝电压为20kv，保持注射器的金属针头(23g针头)与滚筒之间距离为12.5cm，液体流速为1.5ml/h，在滚筒上固定锡纸来收集纺丝得到醋酸纤维素纳米纤维膜，其中滚筒转速2000rpm·min-1，要求环境温度25℃，湿度不超过20-30％，接收时间15min。在真空室中(10-3pa)，控制气相沉积的速率为50nm·min-1，使用铝(al)靶在高纯度氩气(99.9999％)和氮气(99.9999％)的混合气体中通过气相沉积装置将薄al层气相沉积在醋酸纤维素纳米纤维膜上，以纤维丝的方向作为长边，把试验测试样品裁减成边长为0.25cm×1.0cm的长方形湿度响应双层复合纳米纤维膜。b、湿度响应双层复合纳米纤维膜湿度响应测试：在25℃的室温下，将薄膜分别置于不同的湿度环境中，用相机记录变形1min后的形状，利用计算机软件计算薄膜中心变形度最大处的曲率,变形后的曲率随相对湿度的变化如下表1所示。相对湿度曲率(cm-1)403.4505.4606.9707.5807.9湿度响应双层复合纳米纤维膜湿度响应测试：在室温下，将变形后的薄膜放置在干燥环境中静置，用相机记录回复过程，利用计算机软件计算薄膜中心变形度最大处的曲率,得到回复过程中曲率随时间变化的数据如下表2所示。时间(s)曲率(cm-1)00.7410.6920.5730.4640.3850.00实施例2a、采用静电纺丝法制备湿度响应双层复合纳米纤维膜：首先，制备前驱液：将1.5g醋酸纤维素片状固体与8.5ml醋酸混合，在37℃加热搅拌使其完全溶解，得到无色透明的前驱体溶液。其次，将混合均匀的前驱体溶液注入10ml注射器，设定纺丝电压为20kv，保持注射器的金属针头(23g针头)与滚筒之间距离为12.5cm，液体流速为1.5ml/h，在滚筒上固定锡纸来收集纺丝得到醋酸纤维素纳米纤维膜，其中滚筒转速2000rpm·min-1，要求环境温度25℃，湿度不超过20-30％，接收时间15min。在真空室中(10-3pa)，控制气相沉积的速率为50nm·min-1，使用铝(al)靶在高纯度氩气(99.9999％)和氮气(99.9999％)的混合气体中通过气相沉积装置将薄al层气相沉积在醋酸纤维素纳米纤维膜上，以纤维丝的方向作为长边，把试验测试样品裁减成边长为0.25cm×1.0cm的长方形湿度响应双层复合纳米纤维膜。b、基于湿度响应双层复合纳米纤维膜的湿度响应功能，设计了以除湿机为例的智能控制系统，可以实现对湿度的智能控制。其结构包括电源、除湿机、湿度响应双层复合纳米纤维膜、滑动调节器等，核心在于湿度响应双层复合纳米纤维膜的受湿变形性能，其特征在于可通过调节滑动调节器来实现对湿度的精准调控。通过调节滑动调节器来设定所需的湿度，当湿度高于设定湿度时，薄膜受到湿度响应变形，接通电路，除湿机工作；而当湿度小于设定湿度时，薄膜虽有变形，但不足以接通电路，因此除湿机会停止工作，以此达到对湿度的精准调控。传统的除湿机使用的是价格高昂的传感器来实现智能控制，而湿度响应双层复合纳米纤维膜相较于其他传统的湿度控制器来说，因为具有更加简易、轻盈的结构，更加敏感的控制效果，更加环保的合成路线以及更加低廉的价格，这使其有着广阔的应用前景。实施例3a、采用静电纺丝法制备湿度响应双层复合纳米纤维膜：首先，制备前驱液：将1.6g醋酸纤维素片状固体与8.4ml醋酸混合，在37℃加热搅拌使其完全溶解，得到无色透明的前驱体溶液。其次，将混合均匀的前驱体溶液注入10ml注射器，设定纺丝电压为20kv，保持注射器的金属针头(23g针头)与滚筒之间距离为12.5cm，液体流速为1.5ml/h，在滚筒上固定锡纸来收集纺丝得到醋酸纤维素纳米纤维膜，其中滚筒转速2000rpm·min-1，要求环境温度25℃，湿度不超过20-30％，接收时间15min。在真空室中(10-3pa)，控制气相沉积的速率为50nm·min-1，使用铝(al)靶在高纯度氩气(99.9999％)和氮气(99.9999％)的混合气体中通过气相沉积装置将薄al层气相沉积在醋酸纤维素纳米纤维膜上，以纤维丝的方向作为长边，把试验测试样品裁减成边长为0.25cm×1.0cm的长方形湿度响应双层复合纳米纤维膜。b、基于湿度响应双层复合纳米纤维膜的湿度响应功能，设计了以干发仪为例的智能控制系统，可以达到实现智能干发的目的。其结构包括支架、除湿系统、湿度响应双层复合纳米纤维膜、电源、加热系统等，核心在于湿度响应双层复合纳米纤维膜的受湿变形性能，其特征在于可通过湿度响应双层复合纳米纤维膜受湿形变来控制干发仪电路的断开与连接。当头发过湿时，薄膜受到湿度响应变形，接通电路，除湿系统和加热系统工作；而当头发足够干燥时，薄膜不会变形，电路处于断开状态，因此除湿系统和加热系统会停止工作，以此达到智能干发的目的。使用吹风机来干发时，需要手持吹风机的同时用另一只手来感受头发的湿度；而借用此智能干发仪来干发可以解放自己的双手，在工作或者休闲的同时可以同步进行干发，在达到目的后自动断开电源，由此大大提高了时间利用率。实施例4a、采用静电纺丝法制备湿度响应双层复合纳米纤维膜：首先，制备前驱液：将1.8g醋酸纤维素片状固体与8.2ml醋酸混合，在37℃加热搅拌使其完全溶解，得到无色透明的前驱体溶液。其次，将混合均匀的前驱体溶液注入10ml注射器，设定纺丝电压为20kv，保持注射器的金属针头(23g针头)与滚筒之间距离为12.5cm，液体流速为1.5ml/h，在滚筒上固定锡纸来收集纺丝得到醋酸纤维素纳米纤维膜，其中滚筒转速2000rpm·min-1，要求环境温度25℃，湿度不超过20-30％，接收时间15min。在真空室中(10-3pa)，控制气相沉积的速率为50nm·min-1，使用铝(al)靶在高纯度氩气(99.9999％)和氮气(99.9999％)的混合气体中通过气相沉积装置将薄al层气相沉积在醋酸纤维素纳米纤维膜上，以纤维丝的方向作为长边，把试验测试样品裁减成边长为0.25cm×1.0cm的长方形湿度响应双层复合纳米纤维膜。b、基于湿度响应双层复合纳米纤维膜的湿度响应功能，设计了一种可穿戴式手指汗液检测装置，可用来检测手指的汗液浓度，以此评估人的身体状况。其结构包括指环、电源、电流表、湿度响应双层复合纳米纤维膜、弧形电阻等，其特征在于可通过电流表的示数来定量表示湿度大小。戴上像指环一样的可穿戴式手指汗液检测装置后，薄膜感受到手指上汗水会产生变形，由于不同湿度的变形量不同，薄膜与弧形电阻的接触点不同，因此通过电流表的读数可以定量表示湿度的大小，电流表的读数越大，表示手指部位的汗液量越多。用一节电压为1.5v的干电池作为可穿戴式手指汗液检测装置的电源，手指周围的湿度与相应的电流表示数对应关系如下表所示：相对湿度电流表示数(a)400.2500.3600.4700.5800.6实施例5a、采用静电纺丝法制备湿度响应双层复合纳米纤维膜：首先，制备前驱液：将1.9g醋酸纤维素片状固体与8.1ml醋酸混合，在37℃加热搅拌使其完全溶解，得到无色透明的前驱体溶液。其次，将混合均匀的前驱体溶液注入10ml注射器，设定纺丝电压为20kv，保持注射器的金属针头(23g针头)与滚筒之间距离为12.5cm，液体流速为1.5ml/h，在滚筒上固定锡纸来收集纺丝得到醋酸纤维素纳米纤维膜，其中滚筒转速2000rpm·min-1，要求环境温度25℃，湿度不超过20-30％，接收时间15min。在真空室中(10-3pa)，控制气相沉积的速率为50nm·min-1，使用铝(al)靶在高纯度氩气(99.9999％)和氮气(99.9999％)的混合气体中通过气相沉积装置将薄al层气相沉积在醋酸纤维素纳米纤维膜上，以纤维丝的方向作为长边，把试验测试样品裁减成边长为0.25cm×1.0cm的长方形湿度响应双层复合纳米纤维膜。b、基于湿度响应双层复合纳米纤维膜的湿度响应功能，设计了一种可穿戴式手腕汗液检测装置，可用来检测手腕的汗液浓度，以此评估身体运动过程中汗液的分泌情况；其结构包括手环、电源、电压表、湿度响应双层复合纳米纤维膜、弧形电阻等，其特征在于可通过电压表的示数来定量表示湿度大小。戴上像手环一样的可穿戴式手腕汗液检测装置后，薄膜会感受到运动过程中人体分泌出的汗水，由此可产生变形，由于不同湿度的变形量不同，薄膜与弧形电阻的接触点不同，因此通过电压表的读数可以定量表示湿度的大小，电压表的读数越大，表示手腕部位的汗液量越多。用一节电压为1.5v的干电池作为可穿戴式手腕汗液检测装置的电源，手指周围的湿度与相应的电压表示数对应关系如下表所示：相对湿度电压表示数(v)400.5500.7600.9701.1801.3最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。当前第1页12