面向工业过程控制的低成本、高稳定交联聚电解质基湿度传感器的研究

It is important to accurately measure and control the air humidity in each process of the industrial processes. Because of the complicated environment and the requirements for multi-node monitoring, humidity sensors with low cost and good stability are urgently needed. Impedance-type polymer humidity sensors can meet the basic needs of industrial process control, but the stability of the commonly used polyelectrolyte-based humidity sensors are not ideal. To improve the stability of humidity sensors, new strategies for preparing in situ cross-linked polyelectrolyte sensitive film and protective film are proposed. The cross-linked polyelectrolyte sensitive film will be prepared by click chemistry reaction with high selectivity and reactivity, which can improve the stability and consistency of the sensitive materials. The meso/micro-porous protective film will also be prepared by click chemistry reaction on the sensitive film to guarantee the transport of water molecules while keep the large particles of pollutants isolated. The temperature compensation, fault diagnosis and other intelligent methods will be combined, and ultimately humidity sensors with high stability will be obtained. The implementation of this project will provide the core components for the humidity control of industrial processes, promote the application of in situ preparation of cross-linked polymers in the field of humidity sensing, and develop impedance-type humidity sensors with low cost and high stability, which could meet the requirements of actual detection and control.

对工业过程各个流程的空气湿度进行精准测量和控制至关重要。工业过程环境复杂，且需多节点监控，急需开发成本低、稳定性好的湿度传感器。阻抗型聚合物湿度传感器能满足工业过程控制的基本需求，但是目前常用的聚电解质基湿度传感器稳定性不够理想。本项目从提高湿度传感器的稳定性出发，提出在电极上原位制备交联聚电解质敏感膜和保护膜的新策略。利用高选择性及反应活性的点击化学反应制备交联聚电解质敏感膜，提高敏感材料的稳定性和一致性；在敏感膜上再次利用点击反应制备具有介/微孔结构的保护膜，保证水分子正常通过而将大颗粒污染物隔离；结合温度补偿、故障诊断等智能化方法，最终获得高稳定湿度传感器。本项目的实施将为工业过程湿度控制提供核心器件，推进原位制备交联聚合物在湿度传感领域的应用，研制出满足实际检测和控制需求的低成本、高稳定的阻抗型湿度传感器。

本项目研究目标是针对化工、冶金、医药、食品等基础产业生产工艺中各个流程对空气湿度进行精准测量和控制的需求，发展低成本、高性能的湿度传感器。项目开展了高稳定聚电解质敏感膜制备、高性能聚合物湿度传感器研制、器件湿敏性质研究和湿敏机制研究等方面的研究工作。具体包括：1.探索了结构稳定聚电解质敏感膜的制备方法，包括在电极上原位制备交联敏感膜、利用呼吸图案法制备多孔聚合物敏感膜、利用微孔二氧化硅粒子溶液加工制备敏感膜等，获得了不同聚电解质敏感膜的可控制备方法（敏感膜在溶剂中浸泡后仍能保持稳定）；2.研制了系列高性能聚合物湿度传感器（全湿度响应、高灵敏、高稳定、低湿滞），包括交联聚合物湿度传感器、纤维素基湿度传感器、MOFs基聚电解质湿度传感器、聚合物光波导温湿度传感器等，并系统研究了不同类型聚合物湿度传感器的传感特性、敏感材料结构与湿敏性能之间的关系及不同体系传感机制的差异；3.明晰了阻抗型聚合物湿度传感器的传感本质是敏感膜在电极界面的电化学行为，并在深入理解聚合物湿度传感器的工作机制的基础上，发展了一类湿度敏化的新原理氨气传感器（室温工作，高选择性，20ppm氨气灵敏度达6.2）；4.发展了一类基于离子凝胶聚合物的快响应湿度传感器（响应时间在1秒以内），阐明了敏感膜的快速吸脱附机制，提出了具有普适性的快响应器件制备方法，并探索了器件在人体呼吸监测等领域的应用。本项目的实施为低成本、高稳定湿度传感器的开发提供了科学依据和技术支撑，实现了预期技术指标、人才培养、研究成果等目标。项目执行期间，相关研究工作发表SCI检索论文21篇（其中项目负责人作为通讯作者论文18篇），授权国家发明专利3项（项目负责人为第一发明人）。