[发明专利]一种湿敏复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种湿敏复合材料及其制备方法和应用，所述湿敏复合材料为蜡烛烟灰与亲水性聚合物构成的复合材料，其具有多孔纳米结构。本发明的湿敏复合材料利用蜡烛烟灰呈现的纳米结构和高导电性，聚合物与水分子所具备的良好相互作用，从而能够很好地引起传感器电信号的改变，由该湿敏复合材料制成的湿度传感器亲水性好、灵敏度高、滞后性低、回复时间短，在高湿度下呈现稳定性和耐久性好等优点。

技术领域

本发明涉及湿敏材料技术领域，尤其涉及一种湿敏复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

高性能湿度传感器能够实时、有效地进行湿度监测，在工业、农业、医疗保健等领域发挥着重要的作用。然而，过高的环境湿度会造成大量水滴凝结于湿度传感器的传感层表面，进而导致湿度传感器出现精度变低、稳定性变差等问题。

具有快速吸附和解吸能力的湿敏材料用于湿度传感器可有效改善由水滴凝结影响传感器性能的情况，从而确保湿度传感器在极端条件下的响应性能。碳纳米材料是一种具有较大比表面积的多孔材料，有利于水滴的吸附与解吸，因此被认为是理想的湿敏材料之一。近年来，石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料在湿度传感器中的应用引起了人们极大的关注，它们具有丰富的微纳结构和良好的导电性，但由于这些材料不能与水分子发生强烈的相互作用，导致作为单一材料在湿度传感器中的应用受到了极大的限制。尽管碳纳米管和石墨烯传感器发展迅速，但目前碳纳米材料的大规模生产仍是难点，且制备成本较高。

发明内容

针对上述不足，本发明所要解决的问题是如何降低湿敏材料的制备成本以及提高湿度传感器的灵敏度和耐久性。

本发明第一方面提供一种湿敏复合材料，所述湿敏复合材料为蜡烛烟灰与亲水性聚合物构成的复合材料，其具有多孔纳米结构。

本发明的湿敏复合材料由蜡烛烟灰与亲水性聚合物构成，蜡烛烟灰(CS)是通过蜡烛不完全燃烧而获得的碳纳米材料，由众多纳米颗粒连接在一起，具有高度多孔的纳米结构，相比于现有的碳纳米材料，其制备过程简单，且成本更低，适合作为替代材料应用于传感器领域；亲水性聚合物在蜡烛烟灰的表面形成薄膜，既能较好地保持蜡烛烟灰原有的多孔纳米结构，又能对蜡烛烟灰颗粒表面进行改性，赋予材料良好的亲水性。该湿敏复合材料利用蜡烛烟灰呈现的纳米结构和高导电性，聚合物与水分子所具备的良好相互作用，从而能够很好地引起传感器电信号的改变。

本发明第二方面提供一种湿敏复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、超声清洗基底；

S2、将基底置于蜡烛火焰处，来回移动，到达设定时间后移开，置于空气中冷却，上述步骤重复1-5次，在基底上形成蜡烛烟灰薄膜；

S3、将基底置于气相沉积设备的反应腔底部，将反应腔抽至真空状态，加热前驱体至设定温度，并将前驱体以气体的形式通入反应腔内，所述前驱体包括引发剂和单体组合物；

S4、调节前驱体气体通入流量比例，设置反应腔内的压强至设定值，加热使反应腔内热源和基底温度达到各自设定的温度，反应腔内的引发剂会因高温而发生裂解，产生初级自由基，初级自由基与吸附在蜡烛烟灰表面的单体组合物进行原位聚合，形成聚合物薄膜包裹在蜡烛烟灰颗粒表面；

S5、待聚合物薄膜在基底上达到预定厚度，关闭反应腔内热源，停止前驱体气体通入，终止反应进行，即得到湿敏复合材料。

进一步地，所述步骤S2中，将基底置于蜡烛火焰三分之一至三分之二处，来回移动的时间为2s-10s。

进一步地，所述步骤S4中，反应腔内的压强为100mTorr-1000mTorr，反应腔内热源温度控制在150℃-300℃，基底温度控制在30℃-50℃。

进一步地，所述步骤S5中，聚合物薄膜的预定厚度为100nm-1000nm。