高分子湿敏涂层的构筑及其性能研究
发布时间：2021-03-21 19:49
随着社会快速的发展,电子式湿度传感器已经广泛应用于工业生产、货物存储、气象监测、农业生产和居家生活等领域。其中电阻型的湿度传感器由于对湿度检测具有灵敏度高、信号易测量等优点,成为了目前发展较为迅速的一种湿度传感器。如今,随着可穿戴电子设备的发展,柔性、小型化和低成本的湿度传感器已成为新的发展趋势。传统的湿度传感器大部分是通过在基于硬质陶瓷衬底的叉指电极上构建湿敏涂层来制备的,无法满足柔性和可穿戴等需求。目前,聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等材料正被尝试应用于湿度传感器的衬底材料,然而传统的湿敏涂层制备方法通常涉及有机溶剂或高温固化,不仅不环保,还会对柔性衬底以及衬底表面的电极产生破坏,使传感器的可靠性变差,所以需要开发出新的适合柔性衬底的湿敏涂层制备方法。本文开发了一系列绿色环保且不涉及高温固化的碳纳米管复合物以及聚电解质等湿敏材料,以印有碳叉指电极的PET材料为衬底,探究合适的湿敏涂层制备方式,制备了柔性的电阻型湿度传感器,为柔性传感器的制备和性能优化提供了新思路。1、单宁酸-聚乙烯亚胺修饰碳纳米管湿敏涂层的制备及性能研究通过π-π相互作用将单宁酸吸附于碳纳米管表面,然后通过单宁酸（...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氧化铁表面吸附的水蒸气分子的多层结构[17]
第一章绪论5图1-2电阻型高分子湿度传感器的结构Fig.1-2Structureofresistance-typepolymerichumiditysensor.电阻型高分子湿度传感器的制备，通常采用涂覆有叉指电极的衬底作为电极，将湿敏高分子材料通过浸涂、滴涂、旋涂、喷墨打印等成膜方式涂覆到电极衬底上，制备湿敏涂层。典型的湿度传感器的结构如图1-2所示[2]。电阻型湿度传感器主要通过测量湿度的变化并将其转化为湿敏涂层的电阻或阻抗的变化，一般而言，电阻在1kΩ到100MΩ范围内变化[2]。为了形成导电通路，高分子湿敏材料通常包括本征型导电和外援型导电材料两种。其中，本征型高分子材料是指本身可以提供载荷子实现传导的高分子，主要有共轭导电高分子和聚电解质；外援型材料通常是指有机/无机复合材料，有机主要指一些非本征导电的高分子，而无机是指半导体金属氧化物、碱金属盐和碳纳米管等材料。1.4高分子型湿敏材料从上一部分内容可知，对于电阻型湿度传感器来说，高分子型湿敏材料主要分为以下几种：共轭导电高分子、聚电解质以及有机/无机复合材料。湿度传感器的性能主要由湿敏材料的化学结构决定的，因而结合湿敏机理的研究来探讨对高分子湿敏材料的功能设计尤为重要。下面主要对这三种高分子湿敏材料在电阻型湿度传感器中的应用，并结合各自的湿敏机理进行简要介绍。1.4.1共轭导电高分子共轭导电高分子是指由共轭双键或部分共轭双键构成的高分子，经过化学（氧化或还原）掺杂后，可从绝缘体转变为半导体或者导体[23]。自从1977年H.Shirukawa等发现掺杂的聚乙炔具有优良的导电性以来，共轭导电高分子的研究异常活跃，聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTH)、聚苯胺(PANI)和聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)等高分子被研究出来。这类材料在暴露于不同湿度环境中，会引起水分子的吸附/脱附，?
江南大学硕士学位论文6聚吡咯是一种常见的共轭高分子，具有良好并且可调的导电性，在湿敏材料上有很大的应用价值。Hwang等[24]首先报道了基于十二烷基苯磺酸掺杂聚吡咯的湿敏材料，自此，科研人员开始了对聚吡咯湿敏性能的研究。Geng等[25]人研究了吡咯聚合时间对湿敏性能的影响，发现通过延长聚合时间，聚吡咯颗粒间的间隔会变小，并表现出更高的湿敏性能，他们用质子交换转移导电理论进行了解释。在水分子存在下，聚吡咯会根据湿度的高低发生质子交换，如图1-3所示。目前，聚吡咯的湿敏机理被普遍接受的是质子交换转移机理。一边，聚吡咯与水分子接触时质子会从聚吡咯分子链转移至水分子，生成H3O+；另一边，湿敏膜吸附水分子后，解离产生H+(H3O+)，H+(H3O+)通过掺杂反应转移到聚吡咯链。随着环境湿度的增加，湿敏膜吸附的水分子增加，质子交换转移作用加强，导致其中可自由移动的H+(H3O+)和抗衡离子的数量增加，湿敏膜的电阻下降。Vasquez等[26]通过等离子技术在聚吡咯中掺杂氯原子制备成湿敏薄膜(PPy-Cl)，发现在30%-50%RH范围内PPy-Cl的电导率基本不变为10-5S/cm，但是在之后电导率会增加，当湿度达到95%RH时，电导率可以达到10-3S/cm。图1-3聚吡咯的质子交换转移过程[25]Fig.1-3Protonexchangetransferprocessofpolypyrrole[25].聚苯胺也是一种常见的共轭高分子，它在湿度传感器领域的研究也比较多。基于聚苯胺构建的湿度传感器的湿敏机理与聚吡咯基本类似，也是通过聚苯胺链与水分子之间的质子交换转移作用(NH2++H2O=NH++H3O+)，实现对不同湿度的响应[27]。随着湿度的增加，聚苯胺链与水分子的作用增强，湿敏膜内可自由移动的质子和抗衡离子增加，使得电阻下降。Jain等[27]通过引入不同的掺杂酸樟脑磺酸、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于石墨烯的无线无源湿度传感器[J]. 廖振兴. 传感器与微系统. 2020(06)
[2]柔性湿度传感器制作技术研究[J]. 张巍,王洋洋,秦浩,徐晓龙,马琳. 传感器与微系统. 2020(05)
[3]自供能柔性氧化石墨烯湿度传感器的喷墨印刷制备及性能研究[J]. 王贵欣,裴志彬,叶长辉. 无机材料学报. 2019(01)
[4]常用新型柔性传感器的研究进展[J]. 段建瑞,李斌,李帅臻. 传感器与微系统. 2015(11)
[5]石墨烯氧化物湿敏特性研究[J]. 陈玮,雷声,王沧,孙浩,陈裕泉. 分析化学. 2013(02)
博士论文
[1]高分子湿敏材料的设计、制备及性能和应用研究[D]. 吕鑫.浙江大学 2008
硕士论文
[1]磺化聚芳醚酮类湿敏材料的设计、制备与性能研究[D]. 孟凡婷.吉林大学 2019
[2]基于聚四氟乙烯微孔滤膜的柔性湿度传感器研究[D]. 刘睿.东南大学 2018
[3]新型复合湿敏材料的设计和制备[D]. 李晓舟.北京化工大学 2016
本文编号：3093449
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氧化铁表面吸附的水蒸气分子的多层结构[17]
第一章绪论5图1-2电阻型高分子湿度传感器的结构Fig.1-2Structureofresistance-typepolymerichumiditysensor.电阻型高分子湿度传感器的制备，通常采用涂覆有叉指电极的衬底作为电极，将湿敏高分子材料通过浸涂、滴涂、旋涂、喷墨打印等成膜方式涂覆到电极衬底上，制备湿敏涂层。典型的湿度传感器的结构如图1-2所示[2]。电阻型湿度传感器主要通过测量湿度的变化并将其转化为湿敏涂层的电阻或阻抗的变化，一般而言，电阻在1kΩ到100MΩ范围内变化[2]。为了形成导电通路，高分子湿敏材料通常包括本征型导电和外援型导电材料两种。其中，本征型高分子材料是指本身可以提供载荷子实现传导的高分子，主要有共轭导电高分子和聚电解质；外援型材料通常是指有机/无机复合材料，有机主要指一些非本征导电的高分子，而无机是指半导体金属氧化物、碱金属盐和碳纳米管等材料。1.4高分子型湿敏材料从上一部分内容可知，对于电阻型湿度传感器来说，高分子型湿敏材料主要分为以下几种：共轭导电高分子、聚电解质以及有机/无机复合材料。湿度传感器的性能主要由湿敏材料的化学结构决定的，因而结合湿敏机理的研究来探讨对高分子湿敏材料的功能设计尤为重要。下面主要对这三种高分子湿敏材料在电阻型湿度传感器中的应用，并结合各自的湿敏机理进行简要介绍。1.4.1共轭导电高分子共轭导电高分子是指由共轭双键或部分共轭双键构成的高分子，经过化学（氧化或还原）掺杂后，可从绝缘体转变为半导体或者导体[23]。自从1977年H.Shirukawa等发现掺杂的聚乙炔具有优良的导电性以来，共轭导电高分子的研究异常活跃，聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTH)、聚苯胺(PANI)和聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)等高分子被研究出来。这类材料在暴露于不同湿度环境中，会引起水分子的吸附/脱附，?
江南大学硕士学位论文6聚吡咯是一种常见的共轭高分子，具有良好并且可调的导电性，在湿敏材料上有很大的应用价值。Hwang等[24]首先报道了基于十二烷基苯磺酸掺杂聚吡咯的湿敏材料，自此，科研人员开始了对聚吡咯湿敏性能的研究。Geng等[25]人研究了吡咯聚合时间对湿敏性能的影响，发现通过延长聚合时间，聚吡咯颗粒间的间隔会变小，并表现出更高的湿敏性能，他们用质子交换转移导电理论进行了解释。在水分子存在下，聚吡咯会根据湿度的高低发生质子交换，如图1-3所示。目前，聚吡咯的湿敏机理被普遍接受的是质子交换转移机理。一边，聚吡咯与水分子接触时质子会从聚吡咯分子链转移至水分子，生成H3O+；另一边，湿敏膜吸附水分子后，解离产生H+(H3O+)，H+(H3O+)通过掺杂反应转移到聚吡咯链。随着环境湿度的增加，湿敏膜吸附的水分子增加，质子交换转移作用加强，导致其中可自由移动的H+(H3O+)和抗衡离子的数量增加，湿敏膜的电阻下降。Vasquez等[26]通过等离子技术在聚吡咯中掺杂氯原子制备成湿敏薄膜(PPy-Cl)，发现在30%-50%RH范围内PPy-Cl的电导率基本不变为10-5S/cm，但是在之后电导率会增加，当湿度达到95%RH时，电导率可以达到10-3S/cm。图1-3聚吡咯的质子交换转移过程[25]Fig.1-3Protonexchangetransferprocessofpolypyrrole[25].聚苯胺也是一种常见的共轭高分子，它在湿度传感器领域的研究也比较多。基于聚苯胺构建的湿度传感器的湿敏机理与聚吡咯基本类似，也是通过聚苯胺链与水分子之间的质子交换转移作用(NH2++H2O=NH++H3O+)，实现对不同湿度的响应[27]。随着湿度的增加，聚苯胺链与水分子的作用增强，湿敏膜内可自由移动的质子和抗衡离子增加，使得电阻下降。Jain等[27]通过引入不同的掺杂酸樟脑磺酸、
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于石墨烯的无线无源湿度传感器[J]. 廖振兴. 传感器与微系统. 2020(06)
[2]柔性湿度传感器制作技术研究[J]. 张巍,王洋洋,秦浩,徐晓龙,马琳. 传感器与微系统. 2020(05)
[3]自供能柔性氧化石墨烯湿度传感器的喷墨印刷制备及性能研究[J]. 王贵欣,裴志彬,叶长辉. 无机材料学报. 2019(01)
[4]常用新型柔性传感器的研究进展[J]. 段建瑞,李斌,李帅臻. 传感器与微系统. 2015(11)
[5]石墨烯氧化物湿敏特性研究[J]. 陈玮,雷声,王沧,孙浩,陈裕泉. 分析化学. 2013(02)
博士论文
[1]高分子湿敏材料的设计、制备及性能和应用研究[D]. 吕鑫.浙江大学 2008
硕士论文
[1]磺化聚芳醚酮类湿敏材料的设计、制备与性能研究[D]. 孟凡婷.吉林大学 2019
[2]基于聚四氟乙烯微孔滤膜的柔性湿度传感器研究[D]. 刘睿.东南大学 2018
[3]新型复合湿敏材料的设计和制备[D]. 李晓舟.北京化工大学 2016
本文编号：3093449
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