[发明专利]具有微纳复合结构的单侧敏感型柔性膜制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种具有微纳复合结构的单侧敏感型柔性膜制备方法及应用。利用疏水性微孔膜为基底和模板，表面活性剂为结构调节剂，通过原位聚合法在疏水性微孔膜上单侧沉积具有纳米粒子结构的质子酸掺杂的导电聚合物敏感材料制备得到导电聚合物/微孔膜复合柔性膜。所述具有微纳复合结构的单侧敏感型柔性膜作为传感元件制备的气体或湿度传感器具有柔性可弯曲、透气健康、响应灵敏、工艺简单、成本低廉、产品一致性和重复性好等优点，可应用于柔性电子器件、可穿戴智能设备及便携式医疗器械等领域。

技术领域

本发明涉及具有微纳复合结构的单侧敏感型柔性膜传感器及制备方法，以及该柔性膜传感器在气体和湿度传感领域中的应用，属于柔性气体和湿度传感技术领域。

背景技术

可穿戴电子设备是目前最为活跃的研究领域之一。智能服饰、手表、贴片、手镯、眼镜以及电子皮肤等多种可穿戴形式产品呈现出巨大的应用市场。柔性传感器是可穿戴电子技术的核心，通常通过紧密贴附到皮肤表层或嵌入到服饰或其它可穿戴电子产品上实现与人体的充分接触。此类传感器可以监测各种与健康相关的物理、化学或生物信号，如体温、呼吸模式（包括呼吸频率和深度）、脉搏、血压、身体运动状态、肌肉运动以及体味等。其中，对于可穿戴柔性化学传感器来说，随着社会工业化和城市化的快速发展，能够实时且有效的对人体呼出气体和周围有害气体进行监测，对识别一些人体健康、食品安全等方面的潜在危害和威胁具有重要价值。根据世界卫生组织的数据，在由各种空气污染造成的700万人死亡中，每年约有380万人死于家庭空气污染。此外，在工业生产及制造加工过程中，从事如采矿、扎染以及医护等工作的一些人员需要经常接触到不同的有毒和易燃气体。长期接触这些有毒气体可能会导致呼吸系统相关疾病，更甚者患上癌症、中风等疾病。一些剧毒的有机气体甚至会直接剥夺人类的生命。可穿戴式柔性气体传感器的佩戴可有效的识别这些潜在威胁，警醒人们做出相应防护。除了监测佩戴者周围是否存在有害气体外，利用可穿戴柔性气体传感器来评估人体呼吸过程也为医学诊断开辟了一个新的领域。人体呼出的气体除主要气体成分（即N₂、O₂、CO₂和H₂O）外，还含有大量挥发性无机和有机化合物。通过检测并分析人体呼出气体组成可以用于一些疾病的早期识别和诊断。由于人体呼出气体中含有大量水分子，会引起鼻子周围环境湿度的变化，通过连续监测鼻子周围环境湿度的变化，也可以实现对人体呼吸状态的非接触式监测，可在一些疾病的诊断中发挥重要作用。综上，可穿戴柔性气体或湿度传感器的研制对人类健康维护具有重要意义。

导电聚合物材料包括聚苯胺 (PANI)、聚吡咯 (PPY)、聚 (3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等作为敏感材料暴露于待测物质环境中时，会发生许多变化，包括聚合物链上的溶剂化效应、主链构象的变化以及掺杂反离子的吸附或电子迁移。这一系列的变化引起对应器件出现电性能或机械性能的改变。通过检测相应的电信号或机械信号，可以实现导电聚合物材料在气体传感器、湿度传感器、温度传感器等领域中的应用，且作为传感器敏感材料使用时，导电聚合物材料具有制备方法灵活、加工工艺简单、选材丰富且响应灵敏度高等优点[Wang Y , Liu A , Han Y , et al. Sensors based on conductive polymers andtheir composites: a review[J]. Polymer International, 2020, 69(1)]。

与传统的硬基底传感器相比，可穿戴柔性气体或湿度传感器使用过程中不仅要具有很好的敏感响应特性，还需兼备一些其它的性能。首先，要具有良好的柔韧性，能够满足佩戴过程中发生的弯曲形变需求；其次，弯曲形变不能影响传感器的响应特性；此外，可穿戴柔性气体或湿度传感器还要具备轻便透气的特性，满足穿戴过程中的舒适性需求；另外，可穿戴柔性气体或湿度传感器要安全无毒，避免影响佩戴者的健康；最后，在满足上述使用需求的同时，要尽量保证可穿戴柔性气体或湿度传感器满足加工简单，成本低廉，便于批量化生产等需求，目前尚无成熟的技术或者产品面世。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了具有微纳复合结构的单侧敏感型柔性膜制备方法及应用。