[发明专利]一种裸眼可视丙酮气体纤维传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种裸眼可视丙酮气体纤维传感器及其制备方法，属于精细化工和材料科学领域。本发明所述的裸眼可视丙酮气体纤维传感器；所述的传感器包括单根或者多根“仿竹节”结构液晶纤维；所述的“仿竹节”结构液晶纤维是基于液晶包层纤维三层同轴结构，受自然界中竹子结构的启发，在响应层引入“节”来分隔液晶，从而限制液晶沿纤维轴方向运动，得到“仿竹节”液晶纤维。本发明的裸眼可视丙酮气体纤维传感器可实现室温下丙酮气体检测，响应速度快、变色可逆可重复、柔韧轻盈、并且可进行大面积生产，缩放并编织成各种图案，具有良好的机械强度。

技术领域

本发明涉及一种裸眼可视丙酮气体纤维传感器及其制备方法，属于精细化工和材料科学领域。

背景技术

人体呼出气体可以反映人体的生理代谢和各项器官的工作过程，成为目前检测和预防潜在疾病的重要指标。糖尿病人的呼吸丙酮浓度可高达1800ppb，远高于健康人体(正常人体呼出浓度为300～900ppb)，因此，呼吸丙酮被认定为I型糖尿病的生物标志物。常用的分光光度计法、电化学法、气相色谱法等方法虽然能准确检测丙酮含量，但所需设备较为昂贵，体积大，操作复杂，难以实现对人体呼吸丙酮实时监测和大规模应用。可穿戴检测设备由于其方便、灵活、易操作等优点，引起了广泛关注。

邓勇辉教授课题组围绕介孔金属氧化物半导体材料展开深入研究，提出将多种有机两亲性嵌段共聚物与无机前驱物协同共组制备成新型功能介孔材料，所制备的3D紧密交叉排列嵌段共聚物-杂多酸复合纳米线阵列形成的介孔结构材料，具有优异的灵敏度和选择性。然而，其检测环境温度需要达到300℃，不能满足在室温下实时监测呼吸丙酮浓度的要求。胡季帆教授课题组采用光激发的方法，在Au:SmFe1-xZnxO₃体系中引入紫外光照，能够一定程度降低其检测温度，但仍然很难使得最佳检测温度达到室温。S.J.Young等制备了能够室温进行检测的金纳米颗粒吸附的碳纳米管丙酮柔性传感器，其研究表明吸附金纳米颗粒后的碳纳米管对于800ppm丙酮检测灵敏度提高了三倍。

然而，上述传感材料均需要额外通过仪器对其电学、光学等性能进行检测，增添了检测的不便性。

发明内容

[技术问题]

目前检测丙酮气体均需要额外通过仪器对其电学、光学等性能进行检测，增添了检测的不便性。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明以液晶作为丙酮气敏材料，通过同轴涂覆的方式制备具有同轴结构的液晶纤维，用于开发可穿戴气体传感器。并且，在同轴结构的基础上进行进一步结构优化，通过引入“仿竹节”结构来分隔响应(液晶)层，从而限制液晶沿纤维轴方向运动，达到调控同轴结构液晶纤维可视性和气敏性的目的。

本发明的第一个目的是提供一种裸眼可视丙酮气体纤维传感器；所述的传感器包括单根或者多根“仿竹节”结构液晶纤维；

所述的“仿竹节”结构液晶纤维的制备方法，包括如下步骤：

采用同轴涂覆装置使液晶和聚合物溶液依次包裹在芯层纤维外层，聚合物溶液固着后，形成具有“仿竹节”结构液晶纤维；其中，所述的同轴涂覆装置由纤维导向装置、纤维收集装置和供料装置三部分组成；其中供料装置由中间层流体进料口和外层流体进料口两部分组成；中间层流体进料口采用Y型管进料，Y型管的两个进料口分别为液晶层流体和聚合物流体进料口；外层流体进料口为聚合物流体进料口。

在本发明的一种实施方式中，所述的液晶流体和聚合物流体以交替进料方式进入中间层，进料速率和交替时间可控。

在本发明的一种实施方式中，所述的中间层流体采用的聚合物和外层流体采用的聚合物相同。

在本发明的一种实施方式中，外层流体进料口和中间层流体进料口同时进料。