[发明专利]一种适用于潮湿环境传感的智能材料的制备方法

说明书

本发明一种基于可控不对称溶胀体系的适用于潮湿传感的智能材料的制备方法从自然界中含羞草的应激反应中获得灵感，对其独特的生物感震定向形变行为进行仿生设计，在亲水纸片中引入单面疏水性，制备出上下表面具有不对称溶胀性质的Janus纸片。该纸片在潮湿环境中以曲率形式表现出稳定的形变特性。另外通过在纸片中引入多壁碳纳米管(MWCNTs)作为导电填料，使得材料在形变时电阻率相应变化，从而有效地将形变信号转化为电信号，实现对潮湿信号的检测传感。该纸片传感器同时适用于动态的潮湿气流和静态的潮湿气氛，前者可用信号的变化速率标定潮湿气流流量，后者可用信号的变化量标定环境湿度。

技术领域

本发明属于智能传感器材料制备技术领域，特别涉及制备具有不对称溶胀性，潮湿-形变响应性材料的方法，并实现形变信号向电信号转变。

背景技术

刺激响应形变现象广泛存在于自然界中，典型地如含羞草叶片地感震闭合，其主要即涉及在刺激感应下内部细胞不对称的溶胀行为。在这一过程中，组织液在定向迁移局部富集使得整体在局部溶胀，从而形成定向的形变。对这一定向形变过程的仿生设计的智能材料具有较高的稳定性和可控性，且成本低廉，在流体传感器，能量转化器件等领域具有光明应用前景。

另一方面，现今在柔性绝缘材料中引入MWCNTs作为导电填料也见于诸多报导。当柔性材料发生形变，不管是外力还是刺激响应导致的形变，其都会引起其中MWCNTs的聚集程度发生变化，从而导致材料导电性发生改变，MWCNTs密集使电阻小，疏松时电阻大。基于这一原理，材料形变信号被有效地转化成电信号，这一技术已应用于应力传感器，可穿戴传感器，运动检测等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便，环保地制备一种基于可控不对称溶胀体系的适用于潮湿传感的智能材料的制备方法。通过仿生设计，材料在潮湿环境中，水分局部定向富集，材料得以定向形变。引入MWCNTs作为导电填料，有效地将形变信号转变成电信号。这一过程可控性强，稳定性高，原料易得，成本低廉，具有较高的实际应用价值。

实现本发明目的的技术方案是：一种适用于潮湿环境传感的智能材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

A.实验装置设计：凌空固定带有方形镂空的金属支架，在镂空处固定住定性滤纸，在其下方固定电吹风，电吹风与水平面成一定夹角，出风口平面与纸片平面平行且有一定距离，保证热风方向垂直作用于纸片；

B.材料制备：将一定量聚偏氟乙烯(PVDF)溶于一定量N-甲基吡咯烷酮(NMP)，再添加一定量多壁碳纳米管(MWCNTs)配制成前驱溶液；保持电吹风工作，吸管吸取上述前驱溶液滴涂在纸片上表面，使其自然流平，均匀覆盖在纸片上表面；持续热风处理，待纸片完全干燥后，取下保存待用；

C.潮湿气流环境：将所制备的材料竖直固定于加湿器出风口正上方，对纸片进行喷雾处理，加湿器水汽流量可调，在不同水汽流量下记录并分析材料的形变过程；

D.潮湿气氛环境：将所制备的材料竖直固定于恒温恒湿箱中，在不同的环境相对湿度下记录并分析材料的形变过程。

进一步地，步骤A中电吹风倾斜角度为60°。

进一步地，步骤A中出风口与镂空处在气流方向上距离为2cm。

进一步地，步骤B中聚偏氟乙烯(PVDF)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)和多壁碳纳米管(MWCNTs)的配比为0.8g:10ml:0.06g。

进一步地，步骤C中用于测试的潮湿气流的水汽流量分别为280ml/h、350ml/h、420ml/h。

进一步地，步骤D中用于测试的潮湿气氛的相对湿度分别为50％、70％、90％。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.工艺简单，原料易得，无毒环保，成本低廉。