阅读说明：本技术 一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法 (Preparation method of lignin carbide/sodium alginate composite film with humidity sensitivity characteristic ) 是由 闵斗勇 运晓静 罗斌 陈昌洲 王双飞 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法,包括如下制备步骤：(1)在惰性气体氛围中,将木质素进行碳化,经过研磨和过筛后制得粉末状的碳化木质素；(2)将海藻酸钠分散于水中,制备海藻酸钠溶液,并将碳化木质素粉末分散于海藻酸钠溶液,搅拌均匀制备碳化木质素/海藻酸钠混合液；(3)将碳化木质素/海藻酸钠混合液烘干制得碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜；(4)将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜浸泡于氯化钙溶液中一段时间后,烘干制得具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜。该材料对湿度具有超高的响应性,且原料丰富,成本低,制作工艺简单,便于产业化和长期使用。(The invention discloses a preparation method of a lignin carbide/sodium alginate composite film with humidity sensitivity, which comprises the following preparation steps: (1) carbonizing lignin in an inert gas atmosphere, and grinding and sieving to obtain powdery carbonized lignin; (2) dispersing sodium alginate in water to prepare a sodium alginate solution, dispersing carbonized lignin powder in the sodium alginate solution, and uniformly stirring to prepare a carbonized lignin/sodium alginate mixed solution; (3) drying the lignin carbide/sodium alginate mixed solution to prepare a lignin carbide/sodium alginate composite film; (4) and soaking the lignin carbide/sodium alginate composite film in a calcium chloride solution for a period of time, and drying to obtain the lignin carbide/sodium alginate composite film with the humidity sensitivity. The material has ultrahigh responsiveness to humidity, and has the advantages of abundant raw materials, low cost, simple manufacturing process, and convenience for industrialization and long-term use.)

一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的 制备方法

技术领域

本发明属于湿度传感技术领域，具体涉及一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法。

背景技术

环境湿度与人类生活、工农业生产密切相关。随着人们对生活质量和工农业产品质量的要求不断提高，如何更加精准的测量和控制环境湿度成为人们的研究热点之一。湿度传感器就是一类将环境湿度通过电信号形式表示出来的化学传感器，其主要的工作原理是利用可以吸附水分子的材料，在不同湿度条件下，吸附水分子含量的不同产生不同的特性(电阻、电容)，通过连接外电路输出电信号。传统的湿度传感材料是金属和半导体，现因较低的灵敏度、韧性和应变范围窄等特点逐渐淡出人们的日常生活。目前，新型的湿度传感材料有金属氧化物、以石墨烯和碳纳米管等为主的纳米材料。中国专利公开号CN104569074A公开了一种纳米复合湿度敏感材料、电阻式湿度传感器及其制备方法，湿度敏感材料为聚吡咯、TiO₂和石墨烯组成的复合材料。中国专利公开号CN102495106 A公开了一种用于柔性湿度传感器的湿度敏感材料及制备方法，湿度敏感材料是多壁碳纳米管和有机硅组成的复合材料。以上两种专利中的湿度敏感材料均具有良好的柔性和湿度传感性能，但是石墨烯和碳纳米管制备过程复杂，价格昂贵、生产成本较高，不利于工业化连续性生产。因此，研制和开发一种原料廉价、制备工艺简单、湿度响应性能好的新型材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法，该复合薄膜对湿度具有超高的响应性，低滞后性和稳定性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1.将木质素进行碳化，碳化条件为：在惰性气体的保护下，以2-20℃/min的升温速率升温至500-1000℃，保温0.5-3.0h，然后冷却至室温后取出，制得块状碳化木质素；

S2.将步骤S1制得的块状碳化木质素粉碎，过100-300目的筛网收集粉末状碳化木质素；

S3.将海藻酸钠溶于水，配制质量分数为1-3％的海藻酸钠溶液；

S4.将步骤S2制得的粉末状碳化木质素分散于步骤S3制得的质量分数为1-3％的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀制得碳化木质素/海藻酸钠混合液；

S5.将S4步骤制得的碳化木质素/海藻酸钠混合液在温度40-80℃条件下真空干燥，制得碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜；

S6.将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜放置于质量分数为1-10％的氯化钙溶液中浸泡1-24h，在温度为40-80℃条件下真空干燥，制得具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜。

优选地，所述步骤S1在惰性气体氛围下木质素的碳化温度为900℃，升温速率为10℃/min，保温时间为2h。

优选地，所述步骤S6将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜放置于质量分数为5％的氯化钙溶液中浸泡2h，在60℃条件下真空干燥。

优选地，所述的碳化木质素/海藻酸钠混合液中碳化木质素与海藻酸钠的质量比为1:1～3:1。

更优选地，所述的碳化木质素/海藻酸钠混合液中碳化木质素与海藻酸钠的质量比为3:1。

本发明制备的具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜可用于制备湿度传感器的湿敏元件，采用本发明的复合薄膜制备的湿度传感器具有超高灵敏性、低滞后性、稳定性和柔性的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜具有超高的湿度响应性，低滞后性和稳定性。

(2)本发明采用的原料来源丰富，木质素来源可以是造纸黑液木质素、酶解木质素、木质素磺酸钠、有机溶剂抽提木质素等，廉价易得，可生物降解，符合绿色生产需求。

(3)本发明的制备工艺简单，操作方便，生产成本低，便于工业化。

附图说明

图1是本发明实例1制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜在不同湿度条件下真实电阻的变化。

图2是本发明实例1制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的响应-恢复曲线。

图3是本发明实例1制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜在不同湿度下的稳定性曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明方法作进一步说明。此处所描述的实施例为本发明优选实施例，仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法，按以下步骤操作：

S1.将木质素进行碳化，碳化条件为：在氮气的保护下，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温2.0h，然后冷却至室温后取出，制得块状碳化木质素；

S2.将步骤S1制得的块状碳化木质素粉碎，过200目的筛网收集粉末状碳化木质素；

S3.将海藻酸钠溶于水，配制质量分数为1.5％的海藻酸钠溶液；

S4.将步骤S2制得的粉末状碳化木质素分散于步骤S3制得的质量分数为1.5％的海藻酸钠溶液中，其中碳化木质素和海藻酸钠的质量比为3:1，搅拌均匀制得碳化木质素/海藻酸钠混合液；

S5.将S4步骤制得的碳化木质素/海藻酸钠混合液在温度60℃条件下真空干燥，制得碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜；

S6.将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜放置于质量分数为5％的氯化钙溶液中浸泡2h，在温度为60℃条件下真空干燥，制得具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜。

实施例2

一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法，按以下步骤操作：

S1.将木质素进行碳化，碳化条件为：在氮气的保护下，以2℃/min的升温速率升温至500℃，保温0.5h，然后冷却至室温后取出，制得块状碳化木质素；

S2.将步骤S1制得的块状碳化木质素粉碎，过100目的筛网收集粉末状碳化木质素；

S3.将海藻酸钠溶于水，配制质量分数为1％的海藻酸钠溶液；

S4.将步骤S2制得的粉末状碳化木质素分散于步骤S3制得的质量分数为1％的海藻酸钠溶液中，其中碳化木质素和海藻酸钠的质量比为2:1，搅拌均匀制得碳化木质素/海藻酸钠混合液；

S5.将S4步骤制得的碳化木质素/海藻酸钠混合液在温度40℃条件下真空干燥，制得碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜；

S6.将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜放置于质量分数为1％的氯化钙溶液中浸泡1h，在温度为40℃条件下真空干燥，制得具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜。

实施例3

一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法，按以下步骤操作：

S1.将木质素进行碳化，碳化条件为：在氮气的保护下，以20℃/min的升温速率升温至1000℃，保温3.0h，然后冷却至室温后取出，制得块状碳化木质素；

S2.将步骤S1制得的块状碳化木质素粉碎，过300目的筛网收集粉末状碳化木质素；

S3.将海藻酸钠溶于水，配制质量分数为3％的海藻酸钠溶液；

S4.将步骤S2制得的粉末状碳化木质素分散于步骤S3制得的质量分数为3％的海藻酸钠溶液中，其中碳化木质素和海藻酸钠的质量比为1:1，搅拌均匀制得碳化木质素/海藻酸钠混合液；

S5.将S4步骤制得的碳化木质素/海藻酸钠混合液在温度80℃条件下真空干燥，制得碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜；

S6.将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜放置于质量分数为10％的氯化钙溶液中浸泡24h，在温度为80℃条件下真空干燥，制得具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜。

实施例4

一种具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备方法，按以下步骤操作：

S1.将木质素进行碳化，碳化条件为：在氮气的保护下，以15℃/min的升温速率升温至800℃，保温1.0h，然后冷却至室温后取出，制得块状碳化木质素；

S2.将步骤S1制得的块状碳化木质素粉碎，过300目的筛网收集粉末状碳化木质素；

S3.将海藻酸钠溶于水，配制质量分数为2％的海藻酸钠溶液；

S4.将步骤S2制得的粉末状碳化木质素分散于步骤S3制得的质量分数为2％的海藻酸钠溶液中，其中碳化木质素和海藻酸钠的质量比为3:1，搅拌均匀制得碳化木质素/海藻酸钠混合液；

S5.将S4步骤制得的碳化木质素/海藻酸钠混合液在温度50℃条件下真空干燥，制得碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜；

S6.将碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜放置于质量分数为6％的氯化钙溶液中浸泡12h，在温度为50℃条件下真空干燥，制得具有湿度敏感特性的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜。

参见说明书附图1-3，图1是本发明实例1制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜在不同湿度条件下真实电阻的变化。由图1可以得出，碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的电阻随着湿度的增加而增加，随着湿度的减小而减小，在两个相同湿度条件下，碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的电阻一样，表明碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的滞后性小。

图2是本发明实例1制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的响应-恢复曲线。为定量表示碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的湿度敏感性能，采用响应度(Response)来表示，即Response＝(R_H-R₀)/R₀，其中R_H表示在某一相对湿度环境下复合薄膜的真实电阻值；R₀表示干燥环境下复合薄膜的电阻值。由图2可以得出，随着湿度57％增加至97％，碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的湿度响应度增加至5.0×10⁵％。这表明碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜对湿度具有超高的响应性。

图3是本发明实例1制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜在不同湿度下的稳定性曲线。由图3可以得出，碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜在57％、75％和97％湿度环境中放置30天，30天内复合薄膜对湿度的最大响应度没有发生明显改变。这表明碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜对湿度具有良好的稳定性。

采用实施例2、3、4制备的碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜进行同样的表征试验，均可取得同样趋势的接近的技术效果。