一种柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器及其制备方法

本发明涉及功能纺织材料的，具体涉及一种柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，人们越来越关注化学污染物的有效检测，特别是挥发性有机化合物(vocs)。vocs指的是在常温下易挥发的各种有机化合物，其广泛存在于由燃料燃烧和交通运输产生的工业废气、汽车尾气、光化学污染以及在装饰过程中油漆、涂料、印刷等许多方面中，与人们的日常生活息息相关。vocs在阳光照射下与大气中的氮氧化合物、氧化剂等发生光化学反应，生成光化学烟雾，危害人体健康和作物生长。当vocs超过一定浓度时，会使人体产生头晕、恶心、呕吐、四肢乏力、记忆力减弱等症状，损伤人体的肝脏、肾脏和神经系统，甚至与某些癌症和生殖问题密切相关。目前气相色谱分析技术常用来检测vocs，但此种方法的检测仪器体积庞大且价格昂贵，并需要一定的操作手法，不适合现场或者实时监测。

2、基于荧光化学传感器的分析物检测通常通过一种或多种常见的光物理机制来实现，包括螯合诱导增强荧光(chef)、分子内电荷转移，光诱导电子转移和聚集诱导发射(aie)。其光学传感信号可以直接被人类感觉系统感知而无需复杂的数据处理，便于实时监测。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、传统的气体传感器存在体积较大、检测繁琐、无法变形、难以应用于可穿戴设备中等技术难题。

3、[技术方案]

4、一方面，提供一种柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器的制备方法，其包括如下步骤：

5、(1)配制二元分散纺丝液：将弹性体聚合物、四苯基乙烯充分加热搅拌溶解于溶剂中，超声去气泡，获得稳定的二元分散纺丝液；其中，弹性体聚合物和四苯基乙烯的用量比为100:(0.33～1.67)；二元分散纺丝液中四苯基乙烯的最终浓度为1～5mg/ml；

6、(2)湿法纺丝：将二元分散纺丝液进行湿法纺丝得到纤维，工艺参数包括：凝固浴为异丙醇和水的混合凝固浴，异丙醇在混合凝固浴中的体积浓度为0～65％，凝固浴温度为25-30℃，纺丝挤出速度为0.2～1.2ml/min，凝固时间为18-24h；

7、(3)后处理：将纤维干燥，获得柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器。

8、在一些实施例中，在步骤(1)中：二元分散纺丝液中四苯基乙烯的最终浓度为3～4mg/ml。

9、在一些实施例中，在步骤(2)中：纺丝挤出速度为0.3～0.6ml/min。

10、在一些实施例中，在步骤(2)中：异丙醇在混合凝固浴中的体积浓度为60％。

11、在一些实施例中，溶剂为n-n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)或甲基乙酮(mek)中的任一种。

12、在一些实施例中，在步骤(1)中：弹性体聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体、聚二甲基硅氧烷或硅橡胶中的任一种。

13、在一些实施例中，在步骤(1)中：加热搅拌的参数为50-60℃震荡搅拌12-24h。

14、在一些实施例中，在步骤(2)中：湿法纺丝的工艺参数还包括：采用内径为0.3-0.6mm的纺丝针头(即针头规格为24g-20g)。

15、在一些实施例中，在步骤(3)中：干燥为自然风干。

16、另一方面，提供前述的方法制得的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器，其在紫外光的照射下能够产生可视化的蓝色荧光；且其作用于不同浓度的vocs气体时，产生不同程度的荧光淬灭的效果，荧光颜色发生变化；根据荧光颜色能够判断vocs气体的浓度。

17、又一方面，提供一种功能纺织品，其包括前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器。

18、又一方面，提供前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器在检测vocs中的应用。

19、在一些实施例中，所述vocs包括：四氢呋喃、乙醇、丙烯腈、二甲亚砜、乙腈、乙酸乙酯、丙酮、乙醚、甲苯或正己烷中任一种或多种。

20、又一方面，提供一种快速半定量检测vocs的方法，其包括如下步骤：

21、(1)将前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品分别置于一系列具有浓度梯度的已知浓度的vocs的密闭空间，采用紫外光照射，直至前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品产生的荧光颜色稳定后，采集已知浓度的vocs对应的荧光颜色，并制作标准荧光色卡；

22、(2)在相同的测试条件下，将前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品置于未知浓度的vocs的空间，采用紫外光照射，直至前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品产生的荧光颜色稳定后，获取未知浓度的vocs对应的荧光颜色并比对所述标准荧光色卡，确定所述标准荧光色卡中的与未知浓度的vocs对应的荧光颜色最接近的荧光颜色对应的浓度作为该空间的vocs浓度。

23、又一方面，提供一种快速定量检测vocs的方法，其包括如下步骤：

24、(1)将前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品分别置于一系列具有浓度梯度的已知浓度的vocs的密闭空间，采用荧光光谱仪进行分析检测前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品的荧光强度，设定激发波长为330-350nm，检测波长为435～465nm，直至荧光强度稳定后获取已知浓度的vocs对应的荧光强度，并根据vocs浓度与稳定后的荧光强度之间的线性关系绘制标准曲线；

25、(2)在相同的测试条件下，将前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品置于未知浓度的vocs的空间，采用荧光光谱仪进行分析检测前述的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器或前述的功能纺织品的荧光强度，直至荧光强度稳定后获取对应的荧光强度，并将其代入标准曲线中，计算得到该空间的vocs浓度。

26、在一些实施例中，所述vocs为四氢呋喃；步骤(1)所得的标准曲线为y＝7209.4-1.01x，r2＝0.9965，x表示四氢呋喃浓度，0≤x≤300ppm，y表示荧光强度，最低检测限为59.4ppm。

27、[有益效果]

28、与现有技术相比，本发明具有如下改进效果：

29、(1)本发明通过溶剂溶解弹性体聚合物，随后混入四苯基乙烯，充分搅拌均匀，超声消除气泡后获得稳定的二元分散纺丝液；将二元分散纺丝液通过特定的湿法纺丝工艺制备柔性纤维气体传感器，期间以异丙醇和水的混合凝固浴使纤维获得多孔结构。基于四苯基乙烯具有可紫外诱导发蓝光的特性，本发明所制得气体传感器在紫外光的照射下能够发出可视蓝色荧光，并且在接触到四氢呋喃等vocs气体时，具有荧光淬灭的效果，可以根据荧光淬灭的程度(即荧光颜色的变化)来确定vocs气体的浓度。本发明利用一步共混纺丝法制备出了柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器，方法简单、成本低廉、易于实现大规模生产。

30、(2)本发明以弹性体聚合物和四苯基乙烯为主要原料配制特定组成的二元分散纺丝液，结合特定参数的湿法纺丝工艺，通过优化参数，成功制得了平均孔径大小为4.24μm、直径为468μm的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器。该柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器兼具优异的力学性能和高灵敏度、稳定、持久的荧光相应特性：应力高达18mpa以上，应变高达510％以上；荧光强度高达6000a.u.以上，对于vocs(以四氢呋喃为例)的荧光淬灭率高达70％以上；优选条件下，水洗10次后的荧光衰减率低至5.4％，检测vocs后，重新置于空气气氛能够快速恢复荧光强度，重复使用20次后对vocs依然能够快速响应。基于本发明的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器的纤维的柔性使得其能够应用于可穿戴纺织品中，解决了传统的气体传感器的体积较大、检测繁琐、无法变形、难以应用于可穿戴设备中等技术难题。

31、(3)本发明通过优化湿法纺丝工艺，获得了均匀的多孔结构的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器，提高了气体传感器的响应灵敏度和检测范围；同时还改善了柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器的机械性能，提高了实用性。

32、(4)本发明通过共混湿纺将荧光分子四苯基乙烯引入到多孔纤维中以制备柔性荧光传感器，避免了传统浸染方法存在的稳定性差、耐洗性差、耐摩擦性差等缺点。本发明的柔性多孔荧光可视化纤维气体传感器具有廉价的成本、优异的灵敏度和稳定可重复的传感性能，且纤维基气体传感器便于贴合人体或与服装结合，提高了穿着舒适性。