Page 113 - 《精细化工》2021年第12期

第 12 期 朱俊荣，等: 基于电纺 NiI 2 /TPU 纳米纤维膜的湿敏变色传感器的制备及性能 ·2475·

次循环后，其仍存在与初始状态相同的变色行为，
表明纳米纤维膜具有较好的稳定性。这也得益于纳
米纤维膜变色主要依靠 NiI 2 吸附结晶水转变为
NiI 2 •6H 2 O，结晶水的结合与解吸是可逆的且具有较
好的循环性。因此，纳米纤维膜可实现可逆的湿度
变色行为。
2.3 纳米纤维膜的湿度响应性能
为了测量纳米纤维膜的湿敏特性，将 PI 基叉指
电极贴在静电纺丝接收器上，将纳米纤维膜直接形

成在其表面，形成敏化层，60 ℃干燥 2 h，得到 图 8 NiI 2 /TPU 纳米纤维膜在不同相对湿度下的电阻响
NiI 2 /TPU 纳米纤维膜湿度传感器。而由于纯 TPU 纳 应（a）及相对电阻变化（b）
米纤维膜吸附游离水能力较差，在相对湿度 0~97% Fig. 8 Resistance response (a) and relative resistance change
(b) of NiI 2 /TPU nanofibrous membranes at different
范围内，电阻几乎没有变化，因此不做探讨。首先， relative humidity
测试了 NiI 2 /TPU 纳米纤维膜湿度传感器的湿度敏感
由式（1）计算得到湿度传感器在 0~97% RH 的
性，图 8a 为 NiI 2 /TPU 纳米纤维膜电阻值随相对湿
灵敏度为 2.37 MΩ/% RH（每 1%相对湿度变化引起
度的变化曲线，湿度测试范围为 0~97% RH。由图
的电阻变化）。
8a 可以看出，在湿度较低时（低于 23% RH），纳米
湿度洄滞特性被用来描述湿度传感器在水分子
纤维膜电阻值随湿度的提高剧烈下降，而随着湿度
吸附和解吸过程中出现的吸附和解吸曲线不重合的
进一步增大，电阻值的变化幅度减小。这是由于湿
情况。吸湿曲线和脱湿曲线之间同一相对湿度条件
化学处理后的 NiI 2 活性变强，使得游离水分子能更
下的最大差值被称为湿度洄滞差，用来衡量器件吸
容易且迅速地吸附在 NiI 2 上，在湿度较低的条件下，
湿洄滞特性的好坏，数值越小，则性能越好。洄滞
NiI 2 已能通过配位键结合水分子形成 NiI 2 •6H 2 O，从
度由式（2）计算得到：
而导致纳米纤维的电阻值剧烈变化。随着湿度的增
2+
–
加，[Ni(H 2 O) 6 ] 和 I 电离程度增加，从而导致纳米 洄滞度/%= max R  R d  100 （2）
a
纤维膜中离子浓度增加，离子浓度越大，电阻越小。  R a /RH
而随着湿度进一步增大，NiI 2 能结合的游离水分子 式中：R a 和 R d 分别表示同一湿度条件下的吸湿和脱
有限，导致纳米纤维的电阻值变化幅度减小。湿度 湿曲线的电阻值（单位：MΩ）；∆R a /RH 是在一定湿
传感器在不同湿度环境中相对电阻的变化如图 8b 度范围中电阻变化量（MΩ）和相对湿度的比值。
所示。当湿度为 11% RH 时，ΔR/R 0 =89.87%（相对 图 9a 为纳米纤维膜吸湿脱湿过程中的电阻变
电阻变化）；当湿度继续增大到 97% RH 时，ΔR/R 0 = 化；图 9b 为吸湿洄滞曲线以及由公式（2）计算得
99.47%。湿度传感器的灵敏度（MΩ/% RH）由式（1） 到的洄滞度。纳米纤维膜最大洄滞度为 0.4% RH
计算得到： （11% RH）。在湿度较高时，由于 NiI 2 •6H 2 O 吸附
R  R 游离水能力有限，结合的游离水较少，脱湿时结合
灵敏度= 0 a （1）
RH  RH 0 水容易从纤维上除去，随着湿度继续降低，纤维上
a
式中：R 0 和 R a 分别表示初始电阻〔即相对湿度为 0 水分子越来越少，脱湿过程则变成了 NiI 2 •6H 2 O 脱
（RH 0 ）时的电阻〕和实时相对湿度（RH a ）下的电 去结晶水，此过程所要克服的结合力较大，因此出
阻值（单位均为 MΩ）。 现最大洄滞度。