聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料及其制备方法与应用

本发明涉及柔性传感材料领域，尤其涉及一种聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、传感器是将温度、湿度、声、光等物理化学刺激按照一定规律转化为电信号输出的一种检测装置。高性能、低成本的柔性电子器件在传感领域具有广泛的应用需求。传统的柔性电子器件多以聚合物材料为基底，合成过程复杂，且废弃器件难以生物降解，不可避免地会带来二次环境污染。

2、和以聚合物材料为基底的传感材料相比，以天然纤维素为基底的柔性传感材料，逐步受到关注并成为研究热点。纤维素是是地球上存量最丰富的天然高分子材料，具有良好的生物相容性和生物降解性、易于加工成多种形态的材料、还具有独特的表面电荷/化学性质、优异的物理机械性能等综合优点。以天然纤维素为基质的纸张，来源广泛，低成本，可再生利用，可生物降解，以其作为基底，可为柔性传感器的制备和性能提升提供新的发展方向，天然纤维素及其衍生物作为基底构建的柔性纸质基底传感材料，展现出独特的优势，在生物物理传感器、生物化学传感器、环境传感器以及自供电传感器等领域体现出较高的应用潜力。

3、然而，已报道的以天然纤维素为基底的柔性传感材料的制备方法，往往需要较为复杂的制备工序和较长的制备周期；另一方面，已报道的以天然纤维素为基底的柔性传感材料，往往只能对1～2种外界激励作出响应行为，尚难以对多种外界激励发生响应，这限制了此类材料的应用领域。

4、因此需要针对性开发新型天然纤维素为基底的柔性传感材料，简化制备方法，提高材料在多种领域的应用潜力。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料及其制备方法与应用，通过合理的材料设计，构建了一种聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料，它由负载有银颗粒的聚吡咯，在纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，形成导电通路；该聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料，可实现对ph、水雾、呼吸和指压这四种外界激励的响应。

2、技术方案：本发明的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料，由负载有银颗粒的聚吡咯，在棉质纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，形成导电通路制成。

3、其中，所述的棉质纤维素纤维为天然棉质纤维素纤维，直径为10μm-30μm。

4、其中，所述的负载有银颗粒的聚吡咯中，银颗粒与导电聚合物聚吡咯之间形成金属/有机半导体异质结。

5、其中，所述的聚吡咯的重量百分比为2％-4％，银颗粒的重量百分比为1％-2％，纤维素的重量百分比94％-97％。

6、其中，所述的表面负载有金属纳米颗粒的长余辉发光材料中，长余辉发光材料的重量百分比为99％-99.9％，表面负载有金属纳米颗粒的重量百分比为0.1％-1％。

7、本发明的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料的制备方法，包括下述步骤：

8、1)采用紫外辐照法，将银颗粒负载在聚吡咯上，形成银颗粒与导电聚合物聚吡咯之间的异质结，得到负载有银颗粒的聚吡咯；

9、2)将负载有银颗粒的聚吡咯分散在有机溶剂中；

10、3)利用棉质纤维素滤纸自身的毛细管力作为自驱力，促使分散在有机溶剂中的负载有银颗粒的聚吡咯，随着有机溶剂一起被驱入滤纸中，在棉质纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，真空干燥，待有机溶剂自然挥发后，形成导电通路，即得聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料。

11、其中，所述的步骤1)中将醋酸银溶解于n-n二甲基甲酰胺溶液中，向该溶液中加入吡咯，并超声10min-20min，将该溶液置于8w的紫外灯下辐照4h-12h，即得负载有银颗粒的聚吡咯。

12、其中，所述的n-n二甲基甲酰胺溶液中，醋酸银的浓度为0.36mol/l-0.45mol/l，吡咯的浓度为0.5mol/l-1mol/l；所述的紫外灯的波长为365nm。

13、其中，所述的步骤3)中，将棉质纤维素滤纸浸入分散了负载有银颗粒的聚吡咯的有机溶剂中1s-5s后取出，即得聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料。

14、本发明的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料在传感器上的应用。

15、包括下述方面：

16、1)聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料体现出对ph刺激的响应，在不同ph值环境中，聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料的颜色发生变化，实现对ph的传感；

17、2)聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料体现出对水雾刺激的响应，当聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料接触到水雾时，电导率增大，关闭水雾时，电导率降低，且电导率变化可逆，实现对水雾的传感；

18、3)聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料体现出对呼吸的响应，当聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料接触到人呼出的气体时，电导率增大，停止呼气，电导率降低，且电导率变化可逆，实现对呼吸的传感；

19、4)聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料体现出对指压的响应，用手指按压聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料，电导率增大，停止按压，电导率降低，且电导率变化可逆，实现对指压的传感。

20、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明构建的聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料，成本低廉，具有良好的柔性、可折叠性及便携性。本发明利用聚吡咯与银之间的异质结，在不同ph值环境中，因载流子在聚吡咯与银之间的转移，导致聚吡咯中偶极子的浓度发生变化，聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料的颜色随之发生变化，可实现对ph的灵敏传感。

21、本发明构建的聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料，负载有银颗粒的聚吡咯与纤维素纤维之间形成有效连接和协同效应，使该材料对水雾、呼吸和指压具有灵敏、可逆的响应，体现出应用于湿度传感、呼吸传感和指压传感领域的潜力。

22、本发明聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料的制备，是利用棉质纤维素滤纸自身的毛细管力作为自驱力，促使分散在有机溶剂中的负载有银颗粒的聚吡咯，随着有机溶剂一起被驱入滤纸中，在棉质纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，待有机溶剂自然挥发后，形成导电通路；无需特殊设备和苛刻条件，制备方法简单、工艺快速易行，容易实现大面积制备和规模化生产。

技术特征：

1.聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料，其特征在于：由负载有银颗粒的聚吡咯，在棉质纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，形成导电通路制成。

2.根据权利要求1所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料，其特征在于：所述的棉质纤维素纤维为天然棉质纤维素纤维，直径为10μm-30μm。

3.根据权利要求1所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料，其特征在于：所述的负载有银颗粒的聚吡咯中，银颗粒与导电聚合物聚吡咯之间形成金属/有机半导体异质结。

4.根据权利要求1所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料，其特征在于：所述的聚吡咯的重量百分比为2％-4％，银颗粒的重量百分比为1％-2％，纤维素的重量百分比94％-97％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：

6.根据权利要求5所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中将醋酸银溶解于n-n二甲基甲酰胺溶液中，向该溶液中加入吡咯，并超声10min-20min，将该溶液置于8w的紫外灯下辐照4h-12h，即得负载有银颗粒的聚吡咯。

7.根据权利要求6所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料的制备方法，其特征在于：所述的n-n二甲基甲酰胺溶液中，醋酸银的浓度为0.36mol/l-0.45mol/l，吡咯的浓度为0.5mol/l-1mol/l；所述的紫外灯的波长为365nm。

8.根据权利要求5所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤3)中，将棉质纤维素滤纸浸入分散了负载有银颗粒的聚吡咯的有机溶剂中1s-5s后取出，即得聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料在传感器上的应用。

10.根据权利要求9所述的聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料在传感器上的应用，其特征在于：包括下述方面：

技术总结
本发明公开了一种聚吡咯/银/纤维素复合纸基材料，由负载有银颗粒的聚吡咯，在棉质纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，形成导电通路制成。同时公开了该复合纸基材料的制备方法，该复合纸基材料在传感器上的应用。本发明通过合理的材料设计，构建了一种新型复合柔性纸基材料，它由负载有银颗粒的聚吡咯，在纤维素纤维的表面自组装，填充纤维与纤维之间的空隙，形成导电通路；该聚吡咯/银/纤维素复合柔性纸基材料，可实现对pH、水雾、呼吸和指压这四种外界激励的响应。

技术研发人员：张文妍,孙荣爽,张婧,管航敏,黄春雷,马聪,葛纪雨,田文杰,郝凌云
受保护的技术使用者：金陵科技学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13