聚电解质纳米复合湿敏材料和湿度传感器

设计合成具有可交联结构的聚电解质湿敏材料，采用静电纺丝法将其制成纳米湿敏膜，并通过原位聚合实现与聚苯胺、聚吡咯等的良好复合，获得电阻型高分子纳米复合湿敏材料。利用多层、多孔纳米纤维湿敏膜加快响应，减小湿滞，提高灵敏度；通过形成交联结构湿敏膜，提高稳定性；利用聚苯胺等良好的导电性，降低复合膜在低湿下电阻，实现低湿环境测定。在金叉指电极上直接沉积聚电解质/导电高分子纳米复合湿敏膜，制备具有响应灵敏度高、湿滞小、响应快、稳定性好、可测量低湿环境湿度并实现全湿度范围检测的高性能电阻型湿度传感器。研究高分子纳米复合湿敏材料的湿度响应特性，阐明复合物组成结构、形貌等对其湿敏响应特性影响的规律性，优化其组成结构形貌。通过复阻抗谱研究等探讨湿敏响应机理，建立理论模型，为设计具有优异响应特性的电阻型高分子湿敏材料和湿度传感器提供理论依据和指导。

采用静电纺丝等方法制备了系列聚电解质纳米复合湿敏材料和传感器，包括：（1）以聚苯乙烯磺酸为软模板的可分散聚苯胺纳米粒子复合敏感材料及电阻型、声表面波型和声表面波-阻抗型湿度传感器；（2）以聚离子液体为稳定剂的可分散聚吡咯纳米粒子与交联季胺化聚（4-乙烯基吡啶）复合湿敏材料及电阻型湿度传感器；（3）线性和交联结构含硅聚电解质与石墨烯复合物，以及交联季胺化聚（4-乙烯基吡啶）与碳纳米管和银纳米粒子复合湿敏材料和电阻型湿度传感器。采用红外、核磁、GPC、XRD、Raman光谱、扫描和透射电镜，原子力显微镜等手段表征了湿敏材料组成结构形貌，研究了制备的湿度传感器的湿敏响应特性。首次提出在静电纺丝法制备纳米纤维中，通过形成适当比例的纺锤体作为“焊点”，可提高纳米纤维与电极表面接触，降低接触电阻。制备的纳米纤维电阻型湿度传感器具有响应灵敏度高，响应快，湿滞小、稳定性好等优点，提出了纳米纤维传感器独特的敏感机理和物理模型。采用静电纺丝法制备的具有核鞘结构的聚苯胺纳米纤维声表面波型湿度传感器，可灵敏监测低至0.5%RH的低湿环境，从而实现全湿度量程响应，同时其具有高灵敏度响应（75 kHz/%RH）和超快响应（吸湿和脱湿时间为1秒和2秒），是目前报道响应最快的湿度传感器之一。首次将构建的新型聚苯胺纳米复合声表面波-阻抗型传感器用于湿度检测，它可结合阻抗型传感器和声表面波传感器的优点，将敏感材料阻抗随湿度变化转化为频率变化响应，实现了对于低至0.2%RH的湿度环境的灵敏检测，分析了其响应机理。聚电解质与不同维数无机纳米导电材料复合湿敏材料均可显著降低传感器在低湿环境下电阻，实现低湿环境，以及全湿度范围的灵敏检测。提出了其基于不同导电网络的湿敏响应机理。此外，采用静电自组装法和水热法，分别制备了聚苯胺/二氧化钛纳米超薄膜气体材料以及二氧化锡/石墨烯纳米复合气敏材料，构建了电阻型气体传感器，实现了对于低浓度氨气的室温下灵敏、可逆响应，解决了无机纳米气敏材料检测温度高的问题，并提出了相应的气敏响应机理。建立完善了湿度响应测试系统，实现了对于环境温度和湿度，特别是对于极低湿度环境的精确测量与控制。研究获得了多种具有响应灵敏度高、响应快、湿滞小、可测定低湿环境以致实现全量程测定的高性能湿敏材料和湿度传感器，并阐明其响应机理，为研制开发新型纳米结构湿敏材料和湿度传感器提供了有益借鉴。