一种纸基柔性湿敏元件及其制备方法与流程

本发明属于湿度敏感元件及其制备技术领域，具体涉及一种纸基柔性湿敏元件及其制备方法。

背景技术：

湿度是自然界中普遍存在的物理量，在人类的生产生活中对于环境湿度进行测试和调控有大量需求，如空调、加湿器、微波炉、农业大棚、化学品存储、文物保护等等。高性能湿敏元件的开发具有重要意义。

湿敏元件所采用的敏感材料种类繁多，包括双亲性高分子材料、陶瓷材料、碳基及其复合材料等。湿敏元件的衬底包括刚性和柔性两大类，其中，刚性衬底主要陶瓷，电极材料为碳材料或金属；而柔性衬底主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等聚合物，金属电极通过磁控溅射制备。近年来随着柔性电子学的发展，柔性湿敏元件引起了研究人员的广泛关注，柔性湿敏元件具有质量轻、厚度薄、可弯曲等优点，其在射频识别、医疗以及传感阵列检测温度、湿度和空气中化学物质含量等方面均有大量需求。

目前所报道的柔性湿敏元件制备方法成本较高，特别是最常用的在柔性衬底上磁控溅射制备金电极所采用的制备工艺复杂，电极材料昂贵，不利于批量生产和大规模应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纸基柔性湿敏元件及其制备方法。提出以纸基为柔性衬底，直接在纸基衬底上涂写电极材料和敏感材料，获得低成本的纸基柔性湿敏元件。本发明所述的纸基柔性湿敏元件的制备方法，是通过打印机直接打出电极结构图案，利用铅笔在打印出的电极结构处涂写上石墨电极，然后在纸基衬底上的叉指状电极和电极之间的区域涂写敏感材料，干燥后经过裁剪即可得到纸基柔性湿敏元件，通过检测元件电流随相对湿度的变化实现对环境湿度的检测。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种纸基柔性湿敏元件，由纸基衬底、在纸基衬底上涂写的叉指状石墨电极、在纸基衬底上涂写的敏感材料组成。

本发明所述的一种纸基柔性湿敏元件的制备方法，其步骤如下：

(1)设计不同尺寸的叉指状电极结构；

(2)在纸基衬底上打印出叉指状电极结构，在纸基衬底上的不同尺寸的电极结构处用铅笔涂写电极；

(3)将湿敏材料进行化学修饰并分散在水中制备墨水；

(4)在纸基叉指状电极和电极之间的区域涂写步骤(3)制备的墨水，待纸基衬底干燥后沿着电极边缘裁剪得到纸基柔性湿敏元件。

进一步地，步骤(1)中所述的叉指状电极为1-20对，宽度为50-1000μm，指间距50-1000μm。

进一步地，步骤(1)中所述的纸基衬底为针式打印、喷墨打印或激光打印技术可以打印的打印纸。

进一步地，步骤(2)中所述的用铅笔涂写的次数是1-100次，涂写的方向可以是正向或反向，涂写的厚度为0.1-20μm。

进一步地，步骤(3)中所述的墨水浓度为0.1-100mg/mL，涂写的次数为1-1000次，涂写的厚度0.1-50μm。

进一步地，步骤(3)中所述的敏感材料为碳纳米管、石墨烯或炭黑材料。

本发明的纸基湿敏元件的检测方法，可通过直流供电，在直流电路下(电压0-10V)进行不同湿度环境中元件电阻/电流的测量。

本发明所提供的采用直接在纸基上涂写电极和敏感材料的方法，在纸基衬底上打印出不同的电极结构，用铅笔在打印的电极结构处涂写电极，敏感材料制成的墨水可以方便的涂写在叉指状电极和电极之间的区域；与已有的采用磁控溅射贵金属制备柔性湿敏元件电极相比具有低成本、简便、利于大批量生产等特点。

附图说明

图1：设计的不同尺寸的叉指状电极结构示意图；

图2：在A4打印纸上打印出的不同尺寸的叉指状电极结构示意图；

图3：用8B铅笔在A4打印纸上涂写出的石墨电极；

图4：裁剪得到的不同尺寸的湿敏元件；

图5：元件1的电流-相对湿度关系图；

图6：元件2的电流-相对湿度关系图；

图7：元件3的电流-相对湿度关系图；

其中：元件1的电极长度为13.5mm；元件2的电极长度为18.0mm；元件3的电极长度为22.5mm。

具体实施方法

以下实施实例将结合附图对本发明进行进一步说明，本实施方案所用的衬底及原料均为已知材料，可在市场直接购得，或可用本领域已知的方法进行制备。实施例1:

(1)电极结构设计

用绘图软件设计的电极结构如图1所示，设计了不同尺寸的叉指状电极结构，电极整体长度分别为13.5mm、18.0mm、22.5mm。

(2)电极图案打印及石墨电极涂写

将电极结构进行排版，用A4打印纸进行电极图案的批量打印，不同尺寸的多个电极图案可同时打印得到，如图2所示。用商品化的8B铅笔(中华铅笔)在A4打印纸上的不同尺寸的电极处定向涂写5次获得石墨电极，一次性涂写完多个元件，如图3所示。

(3)碳纳米管敏感墨水的制备

首先参照本领域已知的方法(Adv.Funct.Mater.,2011,21,2330–2337)，将碳纳米管进行氧化。将多壁碳纳米管(直径10nm、长度10μm)置于发烟硫酸和浓硝酸(体积比3:1)中，50℃下加热搅拌1小时后用去离子水稀释，过滤，用去离子水洗涤至滤液呈中性，得到的碳纳米管用5％氢氧化锂水溶液80℃处理12小时，过滤，用去离子水洗涤至滤液呈中性，干燥，得到锂修饰的碳纳米管，将经过修饰的碳纳米管分散在水中得到浓度为20mg/mL的敏感墨水。

(4)利用碳纳米管墨水涂写敏感材料

将碳纳米管敏感墨水涂写在纸基衬底上，覆盖各个电极与电极之间的空白区域，涂写完敏感材料后置于空气中晾干，然后沿电极边缘进行裁剪得到多个不同尺寸的湿敏元件(元件1：电极长度13.5mm；元件2：电极长度18.0mm；元件3：电极长度22.5mm)，如图4所示。

湿敏元件性能测试：

元件性能测试按照本领域已公开的方法进行(Sens.Actuators B 2014,192,658-663)，具体方法为：利用饱和盐法获得相对湿度分别为11％、33％、54％、75％、85％和95％RH的环境，将得到的纸基湿敏元件与1V直流电相连，放置于上述不同相对湿度环境中，读取不同湿度环境中平衡状态下元件的电流值。

图5、图6和图7所示为元件1、2和3的电流与相对湿度之间的关系图。从图中可以看出，三个元件都表现出对宽范围湿度的传感性能，随着湿度环境的升高，元件的电流逐渐减小，且都表现出较好的线性。当元件尺寸变大时，相同湿度下的电流值减小。所制备的三个元件具有相近的灵敏度值。