一种木质素纤维湿度传感器及其制备方法与流程

本发明属生物质材料加工技术领域，具体涉及一种利用木质素制备湿度传感器的方法。

背景技术：

湿度传感器被广泛应用于工业、农业以及人类日常生活活动中，传统的湿度传感器所用湿敏材料为金属氧化物以及高分子聚合物薄膜，成本高且不环保。

木质素是植物界中仅次于纤维素的第二大可再生的天然高分子，含有多种官能团，工业木质素主要来源于造纸工业的制浆黑液或生物乙醇生产的副产品。全世界造纸工业每年产生约为5000万吨木质素，其中90％经碱回收系统浓缩后焚烧用于生产蒸汽和发电，未能实现木质素的高值化利用。

中国专利公开号108414583a公开了一种湿度传感器及基于氧化石墨烯湿度传感器的改良和制备，通过对湿度传感器中石墨烯材料湿敏组件的处理工艺、还原氧化石墨烯材料的微观组成及结构等进行改进。用氢溴酸溶液处理得到还原氧化石墨烯，或者将氧化石墨烯材料与聚阳离子聚合物采用静电诱导层层自组装的方法交替沉积形成氧化石墨烯复合薄膜，从而得到湿度传感器的湿敏组件。该方法所用原料成本高、制备工艺复杂且不环保。

chen等人将木质素与氧化石墨烯混合制备成薄膜得到在高湿环境下响应性能优良的湿度传感器，但是其响应和恢复时间为200秒，时间过长。zhang等人将海藻酸钠通过静电纺丝制成薄膜后，浸泡在硝酸银溶液中，清洗后再浸泡在二甲基胺硼烷溶液中还原银离子，使得银均匀的生长在每一根海藻酸钠纤维上，然后利用其对湿度的响应来检测呼吸频率。但是能检测到的湿度范围只有35％～85％，且响应和恢复时间也过长，其次制备过程使用了有毒溶剂，不环保。

综上所述，目前利用生物质材料制备湿度传感器是降低湿度传感器制造成本的解决办法之一，但是生物质材料制备的湿度传感器存在响应和恢复时间过长的问题。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种木质素纤维湿度传感器及其制备方法，该方法工艺简单、生产成本低，制备的木质素纤维湿度传感器响应灵敏，响应和恢复时间短。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种木质素纤维湿度传感器，通过静电纺丝将木质素磺酸钠制备成木质素纤维薄膜，再在木质素纤维薄膜表面涂覆纳米银线制得。

一种木质素纤维湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇溶于去离子水中配制成质量分数为10％的聚乙烯醇溶液，然后与木质素磺酸钠混合溶于乙酸溶液中配制成质量分数为25％～40％的纺丝液；

(2)将步骤(1)制得的纺丝液进行静电纺丝得到木质素纤维膜；

(3)将聚乙烯吡咯烷酮加入到乙二醇中，搅拌使其完全溶解，再加入硝酸银，完全溶解后加入氯化铁溶液，搅拌1～2min后，在120～160℃条件下反应3～5h，冷却后洗涤，最后加入乙醇，得到纳米银线分散液；

(4)将步骤(3)制得的纳米银线分散液喷涂在步骤(2)制得的木质素纤维膜上，待液体完全挥发后烘干，得到木质素纤维湿度传感器。

优选地，所述步骤(2)中静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为10～20cm，喷丝针头为25～28g，高压静电发生器的电压为15～25kv，静电纺丝液进料速度为0.1～1.0ml/h。

优选地，所述步骤(3)中聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇、硝酸银、氯化铁溶液、乙醇的加入量比例为0.1～0.5g:10～30ml:0.05～0.25g:3～5ml:20ml；所述氯化铁溶液的浓度为600μm。

优选地，所述步骤(4)中纳米银线分散液的喷涂量为每2ml纺丝液制得的木质素纤维膜对应喷涂50～200μl的纳米银线分散液。

上述方法，还包括在步骤(4)制得的木质素纤维湿度传感器的两侧粘贴铜箔胶带。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用木质素磺酸钠为原料，来源广泛，价格低廉，比起传统的醋酸纤维素、聚乙炔苯、聚酰亚胺等高分子湿敏材料更价廉环保。

(2)本发明的制备工艺简单，生产成本低，且无污染。

(3)本发明采用静电纺丝制备的木质素纤维薄膜，比表面积大，湿度响应快，响应时间仅为30秒。

附图说明

图1是涂覆纳米银线后的木质素纤维膜的扫描电镜图。

图2是木质素纤维湿度传感器的c-v曲线图。

图3是木质素纤维湿度传感器的i-t曲线图。

具体实施方式

下面根据实例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种木质素纤维湿度传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇(pva)溶于去离子水中配制成质量分数为10％的pva溶液，然后与木质素磺酸钠混合溶于乙酸溶液中配制成质量分数为25％的纺丝液。

(2)将步骤(1)得到的纺丝液取2ml进行静电纺丝得到木质素纤维膜。静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为10cm，喷丝针头为25g，高压静电发生器的电压为15kv，静电纺丝液进料速度为0.1ml/h。

(3)制备纳米银线分散液：将0.1g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到10ml乙二醇中，通过磁力搅拌使其完全溶解，加入0.05g硝酸银，完全溶解后加入3ml浓度为600μm的氯化铁溶液，搅拌1min后，将混合溶液转移到反应釜中，在120℃条件下反应3h，冷却后用乙醇离心洗涤三至五次，最后加入20ml乙醇，得到纳米银线分散液。

(4)取步骤(2)所得的木质素纤维膜置于pet塑料基底上，喷涂50μl纳米银线分散液，待液体完全挥发后烘干。在木质素纤维膜两侧粘贴铜箔胶带，得到木质素纤维湿度传感器。

实施例2

一种木质素纤维湿度传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇(pva)溶于去离子水中配制成质量分数为10％的pva溶液，然后与木质素磺酸钠混合溶于乙酸溶液中配制成质量分数为40％的纺丝液。

(2)将步骤(1)得到的纺丝液取2ml进行静电纺丝得到木质素纤维膜。静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为20cm，喷丝针头为28g，高压静电发生器的电压为25kv，静电纺丝液进料速度为1.0ml/h。

(3)制备纳米银线分散液：将0.3g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到30ml乙二醇中，通过磁力搅拌使其完全溶解，加入0.25g硝酸银，完全溶解后加入5ml浓度为600μm的氯化铁溶液，搅拌2min后，将混合溶液转移到反应釜中，在160℃条件下反应5h，冷却后用乙醇离心洗涤三至五次，最后加入20ml乙醇，得到纳米银线分散液。

(4)取步骤(2)所得的木质素纤维膜置于pet塑料基底上，喷涂100μl纳米银线分散液，待液体完全挥发后烘干。在木质素纤维膜两侧粘贴铜箔胶带，得到木质素纤维湿度传感器。

实施例3

一种木质素纤维湿度传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇(pva)溶于去离子水中配制成质量分数为10％的pva溶液，然后与木质素磺酸钠混合溶于乙酸溶液中配制成质量分数为35％的纺丝液。

(2)将步骤(1)得到的纺丝液取2ml进行静电纺丝得到木质素纤维膜。静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为18cm，喷丝针头为26g，高压静电发生器的电压为22kv，静电纺丝液进料速度为0.7ml/h。

(3)制备纳米银线分散液：将0.5g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到25ml乙二醇中，通过磁力搅拌使其完全溶解，加入0.25g硝酸银，完全溶解后加入5ml浓度为600μm的氯化铁溶液，搅拌1min后，将混合溶液转移到反应釜中，在130℃条件下反应4h，冷却后用乙醇离心洗涤三至五次，最后加入20ml乙醇，得到纳米银线分散液。

(4)取步骤(2)所得的木质素纤维膜置于pet塑料基底上，喷涂100μl纳米银线分散液，待液体完全挥发后烘干。在木质素纤维膜两侧粘贴铜箔胶带，得到木质素纤维湿度传感器。

实施例4

一种木质素纤维湿度传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇(pva)溶于去离子水中配制成质量分数为10％的pva溶液，然后与木质素磺酸钠混合溶于乙酸溶液中配制成质量分数为35％的纺丝液。

(2)将步骤(1)得到的纺丝液取2ml进行静电纺丝得到木质素纤维膜。静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为15cm，喷丝针头为27g，高压静电发生器的电压为20kv，静电纺丝液进料速度为0.3ml/h。

(3)制备纳米银线分散液：将0.3g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到25ml乙二醇中，通过磁力搅拌使其完全溶解，加入0.2g硝酸银，完全溶解后加入4ml浓度为600μm的氯化铁溶液，搅拌1min后，将混合溶液转移到反应釜中，在140℃条件下反应4h，冷却后用乙醇离心洗涤三至五次，最后加入20ml乙醇，得到纳米银线分散液。

(4)取步骤(2)所得的木质素纤维膜置于pet塑料基底上，喷涂150μl纳米银线分散液，待液体完全挥发后烘干。在木质素纤维膜两侧粘贴铜箔胶带，得到木质素纤维湿度传感器。

实施例5

一种木质素纤维湿度传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将聚乙烯醇(pva)溶于去离子水中配制成质量分数为10％的pva溶液，然后与木质素磺酸钠混合溶于乙酸溶液中配制成质量分数40％的纺丝液。

(2)将步骤(1)得到的纺丝液取2ml进行静电纺丝得到木质素纤维膜。静电纺丝的工艺条件为：静电纺丝装置喷丝口和纤维接收装置之间的距离为20cm，喷丝针头为28g，高压静电发生器的电压为20kv，静电纺丝液进料速度为0.5ml/h。

(3)制备纳米银线分散液：将0.5g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到30ml乙二醇中，通过磁力搅拌使其完全溶解，加入0.25g硝酸银，完全溶解后加入5ml浓度为600μm的氯化铁溶液，搅拌1min后，将混合溶液转移到反应釜中，在160℃条件下反应5h，冷却后用乙醇离心洗涤三至五次，最后加入20ml乙醇，得到纳米银线分散液。

(4)取步骤(2)所得的木质素纤维膜置于pet塑料基底上，喷涂200μl纳米银线分散液，待液体完全挥发后烘干。在木质素纤维膜两侧粘贴铜箔胶带，得到木质素纤维湿度传感器。

实施例6

图1是实施例2的涂覆纳米银线后的木质素纤维膜的扫描电镜图。由图1可以看出，纳米银线均匀的吸附在木质素纤维表面，形成导电通路。

图2是实施例2的木质素纤维湿度传感器的c-v曲线图。由图2可以看出，利用木质素纤维制备的湿度传感器属于电阻型湿度传感器。

图3是实施例2的木质素纤维湿度传感器的i-t曲线图。图3中曲线显示了木质素纤维湿度传感器吸湿和脱湿的过程。由图3可以看出，木质素纤维湿度传感器响应灵敏，吸湿和脱湿的整个过程仅需30秒左右。

采用实施例1、3、4、5进行同样的试验，均能得到相同的效果。