[发明专利]一种基于聚合物修饰二氧化硅粒子的湿敏元件及制备方法

说明书

一种基于聚合物修饰二氧化硅粒子的湿敏元件及制备方法，属于湿敏材料及湿敏元件制备技术领域。本发明提出在烯键修饰的二氧化硅粒子上，利用自由基聚合反应在二氧化硅粒子上修饰极性聚合物，以二氧化硅粒子作为骨架，以聚合物链提供亲水性，同时经过聚合物修饰的二氧化硅粒子能稳定分散在溶剂中，可以利用溶液加工的方法制备湿敏元件。制备所述的基于聚合物修饰的二氧化硅粒子的阻抗型湿敏元件的方法，通过在印有叉指电极的衬底表面溶液加工制备湿敏膜，通过检测湿敏元件的阻抗随湿度的变化实现对环境相对湿度的检测。本发明方法简单、可靠，易于实现低成本、高稳定湿敏元件的批量制备。

技术领域

本发明属于湿敏材料及湿敏元件制备技术领域，具体涉及一种基于聚合物修饰二氧化硅粒子的湿敏元件及制备方法。

背景技术

对湿度的检测和控制在工农业生产、气象预测、智能家居、文物保护等诸多领域有着广阔的需求。

湿度传感器可对环境湿度进行定量监测。根据检测技术的不同，可分为声表面波型、质量型、电容型、阻抗型等。其中，阻抗型湿度传感器具有结构简单、信号处理方便的优点，是最具应用潜力的一类湿度传感器。阻抗型湿度传感器的工作原理是通过测量敏感材料在不同湿度环境中由于吸附水分子引起的元件阻抗的变化实现对环境湿度的检测。湿敏材料包括双亲性有机聚合物材料、半导体氧化物材料及各种复合材料等。双亲性有机聚合物材料具有可溶液加工的优点，但高湿条件下的稳定性能不够理想；半导体氧化物材料稳定性好，但不易进行溶液加工，且脱附一般比较困难。

基于介孔二氧化硅担载湿度活性物质(如LiCl)的复合湿敏材料能够实现全湿度范围的检测，其中二氧化硅本身并不是良好的湿敏材料，其作用是作为母体提供稳定的骨架结构。该类复合湿敏材料需要通过物理共混进行制备，缺点在于二氧化硅和湿度活性物质之间没有离子键或共价键等强化学键存在，难以保证湿度活性物质在二氧化硅中的均匀分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于聚合物修饰二氧化硅粒子的湿敏元件及制备方法。本发明提出在烯键修饰的二氧化硅粒子上，利用自由基聚合反应在二氧化硅粒子上修饰极性聚合物，以二氧化硅粒子作为骨架，以聚合物链提供亲水性，同时经过聚合物修饰的二氧化硅粒子能稳定分散在溶剂中，可以利用溶液加工的方法制备湿敏元件。制备所述的基于聚合物修饰的二氧化硅粒子的阻抗型湿敏元件的方法，通过在印有叉指电极的陶瓷衬底表面溶液加工制备湿敏膜，通过检测湿敏元件的阻抗随湿度的变化实现对环境相对湿度的检测。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于可溶液加工聚合物修饰二氧化硅粒子的阻抗型湿敏元件，由印有叉指状电极的衬底、在衬底和叉指电极上制备的聚合物修饰的二氧化硅敏感膜组成。

本发明所述的一种基于可溶液加工聚合物修饰二氧化硅粒子的阻抗型湿敏元件的制备方法，步骤如下：

(1)利用带烯基的三乙氧基硅烷(结构式：(CH₃CH₂O)₃Si-R，R＝-C_nH_2n-1，2≤n≤8)在碱性水溶液(pH值8.5～9.5)中于60～80℃下水解3～5小时，水解产物以乙醇为溶剂进行离心收集，离心产物干燥后得到烯键修饰的二氧化硅粒子；

(2)将步骤(1)中制备的烯键修饰的二氧化硅粒子分散在溶剂中，加入单体和引发剂，利用自由基聚合，于55～70℃下反应40～60小时后在无水乙醚中进行沉淀收集，产物干燥后得到聚合物修饰的二氧化硅粒子；

(3)将步骤(2)中制备的聚合物修饰二氧化硅粒子分散在溶剂中，超声制备稳定的分散溶液；

(4)将步骤(3)中制备的溶液滴涂或旋涂在印有叉指电极的衬底上获得敏感膜，自然晾干后得到本发明所述的湿敏元件。