基于微流控的多组分导电纤维及其柔性传感关键参数研究
发布时间：2021-03-29 14:49
柔性导电纤维在柔性导线、柔性传感器等领域具有广泛应用,是智能可穿戴设备中重要组成部分,而多组分柔性导电纤维是一种异形纤维,相较于普通圆柱形纤维拥有更加优越的柔性传感性能。现有的柔性导电纤维多存在加工工艺复杂、效率低,纤维结构简单、成本高、一致性差等缺点。微流控技术在纺丝方面具有操作简单、效率高等优点,可以合成复杂结构的多组分纤维,离子导电水凝胶具备良好的生物相容性、柔性和一致性,因此,为解决以上问题,本文对离子导电水凝胶进行了研究与改良,结合微流控技术提出了一种新的多组分柔性导电纤维制备方法,并通过仿真对其柔性传感关键参数进行了研究。首先,揭示了多组分多腔室形纤维生成的机理:阐明了共轴结构微通道内与两相流体流动状态相关的基本理论,提出了多组分纤维生成所需的两级共轴结构微通道,结合仿真分析了流体流动属性对纤维生成稳定性及纤维结构参数的影响,为后续柔性导电材料改良及多组分纤维制备提供了理论基础。其次,研制了高性能离子导电水凝胶:研究并分析了各类水凝胶的交联机理,对现有互穿交联网络水凝胶进行改良,设计了新的高性能三交联网络水凝胶,并以其为柔性基底,离子液体为导电填料,研制了高性能离子导电水凝...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
定长纤维切割[22]
砻嫔鲜保?哂衅陶箍?吹那魇疲??种趋势被称为壁面润湿性，对于微流控纺丝技术，微流道壁面的润湿特性对纤维的稳定生成具有重要的影响，较好的润湿性可以提高流体流动的稳定性，进而提高纤维生成的稳定性。不同固体表面对不同液体表现出不同的润湿特性，液体位于固体表面时，在三相的交点处，作一条气/液界面的切线与固/液交界线相交，在液体一侧的夹角被称为接触角，用θ来表示，可以表征壁面润湿性。θ最大为π，此时在固体表面上，液体完全没有铺展开的趋势；θ最小为0，此时液体可以完全在固体的表面铺展开。其中，如图2-1a)所示，当液体为水相，θ>π/2的时候，称固体表面具有疏水性，反之，当θ<π/2时，称其具有亲水性，如图2-1b)所示，根据杨氏方程，可以对接触角θ进行估算：sgsllg=（2-3）式中sg——固/气两相界面的表面张力（N/m）；sl——固/液两相界面的表面张力（N/m）；lg——液/气两相界面的表面张力（N/m）。图2-1壁面润湿性a)壁面疏水b)壁面亲水2.3多组分纤维的生成机理分析多组分多腔室形纤维是一种在圆柱形纤维中包裹参数可控的腔体的异形纤维，通过在腔体中填充特定的材料可以赋予纤维各种功能性，首先将多组分多腔室形纤维的生成机理研究分为圆柱形纤维生成机理研究和多腔室生成机理研究两部分。在微流控纺丝技术中，圆柱形纤维的加工是最基础的，通常采用两相流的微流控芯片进行制备，根据微流控芯片微通道的结构形式，将其分为T型、流动聚焦型、共轴型三种形式[42]，如图2-2所示，其中，T型微流控芯片结构较简单，加工难度较低，但微流体在微通道内流动不稳定，已逐步被淘汰；流动聚焦型微流控芯片中微流体在微通道内流动稳定，但结构复杂，加工难度较大；而共轴型微流控芯片结构最为?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-31-步，流程图如图3-4所示。第一步，将丙烯酰胺、海藻酸钠、聚乙烯醇、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和去离子水按一定比例加入烧杯中，使用磁力搅拌器在常温下搅拌6个小时，保证各原料溶解均匀。第二步，将光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮按一定比例加入第一步搅拌均匀的溶液中，使用磁力搅拌器在常温下搅拌1个小时，保证溶液混合均匀，其中，为防止在搅拌过程中发生聚合反应，需要使用锡箔纸完全包裹住烧杯，阻隔紫外光的照射。第三步，将搅拌好的溶液作为前驱液倒入注射器中，以1wt%的CaCl2溶液为混凝液，使用湿法纺丝工艺加工直径为3mm的离子导电水凝胶纤维，同时，在喷射口出安放UV光源，使水凝胶同时进行离子交联及共价交联。第四步，将加工好的水凝胶纤维泡入5wt%的CaCl2溶液中，同时继续照射紫外光，持续10分钟，保证交联完全。第五步，将水凝胶纤维泡在硅油中，防止水凝胶暴露在空气中失水，放入-12℃的环境中冷冻12小时，再放入室温中解冻12小时，循环三次冷冻-解冻过程。图3-4离子导电水凝胶制备流程图在制备过程中，前驱液在紫外光和混凝液的作用下，完成了聚丙烯酰胺交
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控液流模板法可控制备功能微纤维材料研究进展[J]. 张茂洁,汪伟,巨晓洁,谢锐,刘壮,褚良银. 应用化学. 2017(11)
[2]结冷胶与聚乙二醇丙烯酸酯双网络凝胶的制备及生物相容性评价[J]. 汪争光,胡朵,吴东蔚,鲁路,周长忍. 高等学校化学学报. 2017(02)
[3]微流控器件中的多相流动[J]. 陈晓东,胡国庆. 力学学报. 2015(02)
博士论文
[1]仿生智能柔性材料设计与制备及其自驱动机理研究[D]. 赵骞.吉林大学 2019
[2]基于聚电解质复合物的高强度自修复水凝胶[D]. 袁涛.吉林大学 2019
[3]多功能三网络水凝胶的构建及在农田传感器中的应用研究[D]. 王义西.石河子大学 2019
[4]双乳液滴内核可控包裹与融合机制及实验研究[D]. 侯立凯.哈尔滨工业大学 2017
硕士论文
[1]超分子交联型聚丙烯酸/丙烯酰胺水凝胶的合成及性能[D]. 张慧芹.青岛科技大学 2019
[2]用于干眼症治疗的壳聚糖基可注射温敏互穿网络水凝胶制备与表征[D]. 魏荣.西北大学 2019
[3]基于双乳液滴的导向性微胶囊制备及内核可控释放研究[D]. 赵艳鑫.哈尔滨工业大学 2018
[4]海藻酸钙水凝胶空心纤维的可控制备及其应用[D]. 郑焯元.华东理工大学 2018
[5]微流控中液滴的形成与操纵机理及其实验研究[D]. 于帅.哈尔滨工业大学 2013
[6]肠道机器人的运动学与通过性研究[D]. 肖滔.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3107723
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
定长纤维切割[22]
砻嫔鲜保?哂衅陶箍?吹那魇疲??种趋势被称为壁面润湿性，对于微流控纺丝技术，微流道壁面的润湿特性对纤维的稳定生成具有重要的影响，较好的润湿性可以提高流体流动的稳定性，进而提高纤维生成的稳定性。不同固体表面对不同液体表现出不同的润湿特性，液体位于固体表面时，在三相的交点处，作一条气/液界面的切线与固/液交界线相交，在液体一侧的夹角被称为接触角，用θ来表示，可以表征壁面润湿性。θ最大为π，此时在固体表面上，液体完全没有铺展开的趋势；θ最小为0，此时液体可以完全在固体的表面铺展开。其中，如图2-1a)所示，当液体为水相，θ>π/2的时候，称固体表面具有疏水性，反之，当θ<π/2时，称其具有亲水性，如图2-1b)所示，根据杨氏方程，可以对接触角θ进行估算：sgsllg=（2-3）式中sg——固/气两相界面的表面张力（N/m）；sl——固/液两相界面的表面张力（N/m）；lg——液/气两相界面的表面张力（N/m）。图2-1壁面润湿性a)壁面疏水b)壁面亲水2.3多组分纤维的生成机理分析多组分多腔室形纤维是一种在圆柱形纤维中包裹参数可控的腔体的异形纤维，通过在腔体中填充特定的材料可以赋予纤维各种功能性，首先将多组分多腔室形纤维的生成机理研究分为圆柱形纤维生成机理研究和多腔室生成机理研究两部分。在微流控纺丝技术中，圆柱形纤维的加工是最基础的，通常采用两相流的微流控芯片进行制备，根据微流控芯片微通道的结构形式，将其分为T型、流动聚焦型、共轴型三种形式[42]，如图2-2所示，其中，T型微流控芯片结构较简单，加工难度较低，但微流体在微通道内流动不稳定，已逐步被淘汰；流动聚焦型微流控芯片中微流体在微通道内流动稳定，但结构复杂，加工难度较大；而共轴型微流控芯片结构最为?
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-31-步，流程图如图3-4所示。第一步，将丙烯酰胺、海藻酸钠、聚乙烯醇、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和去离子水按一定比例加入烧杯中，使用磁力搅拌器在常温下搅拌6个小时，保证各原料溶解均匀。第二步，将光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮按一定比例加入第一步搅拌均匀的溶液中，使用磁力搅拌器在常温下搅拌1个小时，保证溶液混合均匀，其中，为防止在搅拌过程中发生聚合反应，需要使用锡箔纸完全包裹住烧杯，阻隔紫外光的照射。第三步，将搅拌好的溶液作为前驱液倒入注射器中，以1wt%的CaCl2溶液为混凝液，使用湿法纺丝工艺加工直径为3mm的离子导电水凝胶纤维，同时，在喷射口出安放UV光源，使水凝胶同时进行离子交联及共价交联。第四步，将加工好的水凝胶纤维泡入5wt%的CaCl2溶液中，同时继续照射紫外光，持续10分钟，保证交联完全。第五步，将水凝胶纤维泡在硅油中，防止水凝胶暴露在空气中失水，放入-12℃的环境中冷冻12小时，再放入室温中解冻12小时，循环三次冷冻-解冻过程。图3-4离子导电水凝胶制备流程图在制备过程中，前驱液在紫外光和混凝液的作用下，完成了聚丙烯酰胺交
【参考文献】：
期刊论文
[1]微流控液流模板法可控制备功能微纤维材料研究进展[J]. 张茂洁,汪伟,巨晓洁,谢锐,刘壮,褚良银. 应用化学. 2017(11)
[2]结冷胶与聚乙二醇丙烯酸酯双网络凝胶的制备及生物相容性评价[J]. 汪争光,胡朵,吴东蔚,鲁路,周长忍. 高等学校化学学报. 2017(02)
[3]微流控器件中的多相流动[J]. 陈晓东,胡国庆. 力学学报. 2015(02)
博士论文
[1]仿生智能柔性材料设计与制备及其自驱动机理研究[D]. 赵骞.吉林大学 2019
[2]基于聚电解质复合物的高强度自修复水凝胶[D]. 袁涛.吉林大学 2019
[3]多功能三网络水凝胶的构建及在农田传感器中的应用研究[D]. 王义西.石河子大学 2019
[4]双乳液滴内核可控包裹与融合机制及实验研究[D]. 侯立凯.哈尔滨工业大学 2017
硕士论文
[1]超分子交联型聚丙烯酸/丙烯酰胺水凝胶的合成及性能[D]. 张慧芹.青岛科技大学 2019
[2]用于干眼症治疗的壳聚糖基可注射温敏互穿网络水凝胶制备与表征[D]. 魏荣.西北大学 2019
[3]基于双乳液滴的导向性微胶囊制备及内核可控释放研究[D]. 赵艳鑫.哈尔滨工业大学 2018
[4]海藻酸钙水凝胶空心纤维的可控制备及其应用[D]. 郑焯元.华东理工大学 2018
[5]微流控中液滴的形成与操纵机理及其实验研究[D]. 于帅.哈尔滨工业大学 2013
[6]肠道机器人的运动学与通过性研究[D]. 肖滔.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3107723
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