[发明专利]基于海藻酸钠/聚丙烯腈复合薄膜的QCM湿敏传感器及构建方法和应用

说明书

本发明属于湿敏传感器技术领域，具体涉及一种基于海藻酸钠/聚丙烯腈(SA/PAN)复合薄膜的石英晶体微天平(QCM)湿敏传感器及制备方法和应用。通过静电纺丝技术直接在QCM传感器上构建一层聚丙烯腈(PAN)纤维网络作为支撑层，通过旋涂技术在PAN纤维网络上方旋涂一层亲水性海藻酸钠(SA)膜，构建含有双层网络结构SA/PAN湿敏薄膜的QCM湿度传感器。制备方法为：(1)PAN纳米纺丝纤维的制备；(2)海藻酸钠溶液的制备；(3)涂覆至QCM传感器表面。QCM湿敏传感器应用于湿度检测或摩尔斯电码发生器。本发明的SA/PAN湿度传感器可用于测量皮肤湿度，对皮肤湿度具有良好的传感性能，具有高灵敏度和快速的恢复特性，利用指尖移动产生摩尔斯电码，拓宽了摩尔斯电码发生器的种类。

技术领域

本发明属于湿敏传感器技术领域，具体涉及一种基于海藻酸钠/聚丙烯腈(SA/PAN)复合薄膜的QCM湿敏传感器及制备方法和应用。

背景技术

湿度检测在工业生产、食品行业、军事航天、农业种植、药品储存、生物医学等领域发挥着重要作用。湿度过高会降低电器的安全性，加速食品的霉变；湿度过低会降低农作物的产量，带来静电危害。另一方面，环境湿度对人体健康也有重要影响。湿度过高，易引发哮喘、湿痹症和类风湿性关节炎，易影响人体的排汗功能；湿度过低，引起皮肤干燥，引发鼻出血、咳嗽和呼吸道感染。

石英晶体微天平(QCM)传感器凭借自身高精度、低功耗、高灵敏和低成本等优点备受关注。QCM传感器对纳克级别的质量变化非常敏感，当湿敏薄膜吸附水分子时，QCM的振动频率减慢，过多的涂敷材料和过高的湿度会使QCM出现不稳定甚至停振现象。因此，QCM传感器对湿敏材料的吸附性、成膜性、灵敏度和高湿稳定性提出了更高的要求。

海藻酸钠(SA)是一种从海藻中提取的天然高分子聚电解质。其分子链中含有大量的羧酸盐和羟基，羧酸根以羧酸钠的形式存在，而在基团的亲水性排序中，羧盐的亲水性更高，羧基次之，羟基亲水性稍微弱于羧基。海藻酸钠因具有理想的成纤性、成膜性、亲水性、价格低、来源广、无毒环保等优点受到研究者的广泛关注。聚丙烯腈(PAN)具有良好的机械稳定性和水不溶性，是一种优异的支撑膜层。

因此，目前急需一种利用海藻酸钠和聚丙烯腈改善QCM湿度传感器薄膜的结构与制备工艺，提升传感器的湿敏特性，且可用于皮肤湿度监测或非接触摩尔斯电码通信。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于海藻酸钠/聚丙烯腈(SA/PAN)复合薄膜的QCM湿敏传感器及制备方法和应用，以解决背景技术中涉及的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：基于SA/PAN复合薄膜的QCM湿敏传感器，通过静电纺丝技术直接在QCM传感器上构建一层PAN纤维网络作为支撑层，通过旋涂技术在PAN纤维网络上方旋涂一层亲水性SA膜，构建含有双层网络结构SA/PAN湿敏薄膜的QCM湿度传感器。

本发明进一步的技术方案，

所述QCM湿敏传感器表面的两种材料紧密结合，上层的SA均匀致密，为薄膜提供亲水的活性位点，而下层的电纺PAN纤维支撑上层SA薄膜，为水分子提供扩散通道；

或，所述SA/PAN复合薄膜的亲水角为39.42°。

本发明还包括基于SA/PAN复合薄膜的QCM湿敏传感器的制备方法，制备步骤包括：

(1)PAN纳米纺丝纤维的制备

将聚丙烯腈溶解于二甲基甲酰胺中，在90℃水浴中加热并剧烈搅拌，得到聚丙烯腈纺丝溶液，通过静置脱泡获得静电纺丝前体溶液；

通过静电纺丝技术将静电纺丝前体溶液制备为PAN纳米纤维并附着于预处理后的QCM传感器表面；

(2)海藻酸钠溶液的制备

将海藻酸钠粉末溶解于去离子水中，磁力搅拌，获得透明的海藻酸钠溶液；