[发明专利]一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能材料及器件和制备方法，特别是涉及一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及器件和制备方法。

背景技术

对水分高度敏感的材料属于湿敏元件，通常利用材料在不同含水量变化过程中其物理量(几何尺寸、电学性质、光学性质、热学性质)发生的变化来感知环境的湿度。其中利用湿胀干缩原理制造的毛发湿度计简单方便，但尺寸变化小，需要辅助机械放大装置等；利用吸水材料在含水量不同时具有不同红外/紫外吸收谱图、不同的吸热/放热现象而制备的湿敏器件，虽然精度较高、但普遍存在设备昂贵、测试复杂的缺点。目前应用最为广泛的是以氯化锂、碳、陶瓷、氧化铝等为代表的湿敏元件，其在吸收水分后引起电阻、电容的变化，精度较高，是工业中最为常见的湿度测量仪器，但由于电阻变化不明显，通常需要电流放大等辅助装置。

水凝胶是一类具有亲水基团的交联网络的高吸水性树脂，其显著的特点具有极强的吸水能力(高达几百甚至上千倍)，同时能发生显著的体积变化，被广泛应用于个人卫生用品、工农业生产、土木建筑等各个领域。正由于其具有在不同含水量时显著的体积变化，可以作为响应湿度变化的传感器件的基体。通常，高吸水性树脂在含水量变化过程中具有显著的电学性能变化，从纯干燥时的绝缘体变成高含水量时的半导体，在凝胶中添加的导电填料目的是使凝胶具有更高的湿态电导率。而且其电导率的变化范围仅仅为0.85～1.4mS/cm(Cu添加的导电凝胶)，和4.5～2.0mS/cm(碳纤维/石墨/导电凝胶)，普遍存在电阻变化幅度小的缺点；而且均做成粉末状试样，吸水/脱水后的尺寸稳定性差，无法作为湿度传感器得到实际应用。现有技术均没有涉及其对响应环境变化过程中含水量不同时引起凝胶网络伸缩变化，从而导致电学性能对含水量变化的突变现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及器件和制备方法。该导电水凝胶复合材料由对湿度敏感的水凝胶、导电填料和助剂构成，该导电水凝胶复合材料及器件的制作方法分为导电填料分散、原位聚合、浇筑定型、电极修整四个步骤。制得的导电水凝胶复合材料及器件在响应环境水分变化过程中，可对外界湿度变化做出敏感的响应。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及器件和制备方法，该导电水凝胶复合材料及器件的其制备方法包括导电填料分散、原位聚合、浇筑定型和电极修整四个步骤；其中，导电填料分散过程是首先将水凝胶单体完全溶解在蒸馏水中，加入导电填料及少量表面活性剂，充分搅拌后，超声分散2～4小时，使导电填料均匀分散于溶液中；原位聚合过程是加入用于水凝胶聚合的引发剂、交联剂，搅拌均匀至完全溶解；浇筑定型是将混合均匀的溶液倒入预先铺设好的含有电极和导线的容器中，密封并于室温或升温条件下发生交联反应，待凝胶定型后取出嵌有电极和导线的已交联的导电水凝胶复合材料，放入去离子水中浸泡清洗备用；电极修整是将制备好的导电水凝胶复合材料取出，并将凝胶包裹的导线电极清理干净，以备测试时与万用表等电学测试仪器相连。

如上所述的一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及器件，其原位聚合过程中加入的引发剂为过氧化苯甲醛、偶氮二异丁腈、过硫酸铵-四甲基乙二胺、过硫酸钾-亚硫酸钠；交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺、醛类单体。

如上所述的一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及器件和制备方法，其导电水凝胶复合材料及器件包括对湿度敏感的水凝胶、导电填料和助剂，其中水凝胶为聚丙烯酸树脂及其衍生物，或为聚乙烯醇树脂及其衍生物，或为聚丙烯酰胺树脂及其衍生物；导电填料为具有导电功能的纤维、薄片或颗粒粉末；助剂为有助于导电颗粒在水中分散的表面活性剂；器件通过对导电水凝胶复合材料电极修整制得。

如上所述的一种对湿度变化敏感的导电水凝胶复合材料及器件，其水凝胶在复合材料中的用量占总质量的80～99.5％；导电填料的用量占总质量的0.5％～20％；助剂用量占总质量的0.01％～1％。

本发明的优点与效果是：

1.本发明的导电水凝胶复合材料及器件在响应环境水分变化过程中，发生可逆的体积膨胀收缩，带动内部导电疏运网络的伸展和聚集，引起电阻的增加和降低，产生电阻变化明显的电学信号，从而可以对外界湿度变化做出敏感的响应。

2.本发明可以根据使用环境的不同，进行结构和成分设计，得到具有不同响应速度、不同的电阻变化范围的导电水凝胶复合材料及器件，具有极大的设计自由度。

3.本发明可根据实际需要设计其形状；该制备过程不需要复杂的模具，不需要机械加工环节。