一、研究背景

湿度的检测和管理在人类生活和电子产品的运行中起着至关重要的作用。湿度传感器应用于各个领域，包括大气和土壤处理、工业制造、农业生产和生理健康管理。此外，人体通过显性和非显性出汗，不断地失去水分。作为一种生物标志物，人体中无处不在的湿度为新兴可穿戴数字医疗技术的非接触式传感器网络的发展提供了支持。因此，设计用于非接触式和呼吸监测的高性能湿度传感器的创建引起了极大的关注。纤维素被认为是绿色湿度传感器的理想候选者，因为它的分子链上有丰富的亲水性基团，这赋予了它良好的吸水和膨胀性能。

静电纺丝法是近年来发展最为迅速的纳米纤维制备方法之一。它具有设备简单、原料范围广、纤维结构易于控制等优点。制备的纳米纤维具有直径小、比表面积大、孔可调、孔连通性好等特点。LiCl是一种稳定的离子化合物。随着环境湿度的增加，LiCl吸收更多的水，增加离子载流子的数量，从而降低其电阻。相反，当LiCl的蒸气压超过空气中水蒸气的分压时，它会解吸水分，从而增加其阻力。因此，LiCl被认为是离子导电湿度传感器的最佳电解材料。

本研究采用静电纺丝设备制备了一种具有大孔的超薄LiCl/纤维素纳米纤维（简称LCNF）膜，并将其用于组装高性能湿度传感器。采用DMAc/LiCl溶剂体系溶解纤维素，在静电纺丝过程中，DMAc挥发到空气中，而LiCl留在纤维素纳米纤维中。保留在纤维素中的LiCl具有较强的亲水性，提高了纤维素纤维的水分传感检测限（特别是在低湿度条件下），从而使纤维素水分传感器具有优异的灵敏度（高达4191 %）和较宽的检测范围（5-98 % RH）。纤维素纤维的纳米级尺寸、纤维素膜的大孔及其超薄厚度加速了空气与膜之间的水分交换，使LCNF08湿度传感器具有快速响应和恢复速率（99/110 s）和最小的滞后（2.9 %）。此外，尽管长时间使用（超过30 天），极端温度变化（73.6℃至0.1℃）和多次弯曲循环，传感器的功效仍然强劲。湿度传感器在非接触式湿度检测、呼吸检测、睡眠呼吸暂停检测等领域也得到了广泛应用，促进了可穿戴电子技术的发展。

二、摘要

纤维素具有绿色可再生、表面基团丰富、亲水性强等特点，被认为是柔性电子湿度传感器的理想材料。然而，传统的纤维素基湿度传感器不能同时具有宽检测范围、高灵敏度和快速响应时间，严重阻碍了其发展和应用。本文采用一步静电纺丝法制备了超薄氯化锂/纤维素纳米纤维膜作为湿敏材料，并将其用于组装高性能湿度传感器。采用N， N-二甲基乙酰胺/氯化锂（DMAc/LiCl）溶剂体系溶解纤维素，在静电纺丝过程中，DMAc挥发到空气中，而LiCl留在纤维素纳米纤维中。LiCl作为一种高湿敏无机盐，具有较强的亲水性，提高了纤维素纤维的湿敏检测限（特别是在低湿度条件下），从而使纤维素水分传感器具有优异的灵敏度（可达4191 %）和较宽的检测范围（5-98 % RH）。纤维素纤维的纳米尺寸、极低的厚度和纤维素膜的大孔隙加速了空气与膜之间的质量交换，从而使纤维素湿度传感器具有快速的响应/恢复时间（99/110 s）和低滞后（2.9 %）。此外，即使在长期使用（bbb30 天）、高低温（73.6/0.1℃）和数千次弯曲循环后，湿度传感器的性能也没有下降。所提出的LiCl/纤维素纳米纤维湿度传感器为纤维素传感器的设计带来了创新的解决方案，在非接触式湿度检测、呼吸监测和睡眠呼吸暂停检测应用中具有很大的潜力。

三、结论

采用一步静电纺丝法将LiCl固定在纤维素纳米纤维中，制备了LiCl/纤维素纳米纤维膜，并用于组装高性能湿度传感器。LCNF湿度传感器具有高灵敏度（98 % RH时可达4190 %）、宽检测范围（5-98 % RH）、快速响应/恢复时间（99/110 s）和低滞后（2.9 %）的特点，这主要得益于其形成的纤维素纳米纤维和微孔网络结构以及LiCl和纤维素的协同作用。与以往文献报道的基于纤维素的湿度传感器相比，LCNF湿度传感器在检测范围和灵敏度方面具有显著优势。此外，LCNF湿度传感器在长期使用、高低温和数千次弯曲循环后，其性能也没有下降。在非接触式湿度检测、呼吸检测、睡眠呼吸暂停检测等领域均有应用。这些结果为未来可再生可持续湿度传感器的应用和发展提供了基础。

图1.(a) LCNF膜制备工艺示意图；(b) LCNF湿度传感器在呼吸监测和非接触湿度检测方面潜在应用演示的卡通图像。

图2.(a)纸质湿度传感器、(b)纳米纤维素膜湿度传感器和(c) LCNF湿度传感器的结构图；(d)和(e)分别为低湿度条件下纤维素纳米纤维膜和LiCl/纤维素纳米纤维膜的湿敏机理；(f)和(g)分别为纤维素纳米纤维膜和LiCl/纤维素纳米纤维膜在高湿条件下的湿敏机理。