用于果蔬包装顶空气氛监测的柔性湿度传感器研究
发布时间：2021-04-08 08:10
包装内部的湿度环境对贮存和运输过程中的果蔬产品有重要的影响。当湿度超过一定数值,细菌、微生物加速繁殖,促使内装物快速腐烂;当湿度过低时,果蔬水分流失、品质下降。由于包装的整个流通过程中湿度情况复杂,有必要对包装内部湿度进行实时的监测,以便于及时采取措施,对湿度进行调控。本课题制备了一种可用于监测果蔬包装内部湿度的柔性智能包装,取得的研究结果如下:（1）电阻型柔性湿度传感器的制备,主要包括基材、电极、敏感层三层结构。通过PVA和PET薄膜的性能对比,优选PET作为传感器的基材。制作不同线宽的梳状叉指型银电极作为金属电极。制备不同配比的羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）与氧化石墨烯（GO）、二硫化钨（WS2）混合物作为敏感层。然后,以丝网印刷、涂布等方式制备了一种具有三层结构的电阻型柔性湿度传感器。（2）构建了097.6%RH的不同湿度模拟测试环境,并用LCR仪表进行了传感器的阻抗性能测试。不同比例MWCNTs-COOH/WS2敏感层材料的传感器测试结果表明:随着相对湿度的递增,电阻显明显的递增趋势。MWCNTs-...
【文章来源】：北京印刷学院北京市
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
WS2结构图[36]
4和优异的物理性质受到很多研究者的追捧[29]。碳纳米管内部的空洞结构和可用于气体吸附的外壁使其对很多常见气体都很十分敏感。然而，碳纳米管具有很大的缺点，即难溶于水，这在很大程度上制约了碳纳米管在柔性气体传感器上的应用。因为碳纳米管在溶液中分散困难，解决它的分散问题是碳管研究和使用的第一步。经研究发现，GO可以很好的与MWCNTs混溶，且不易沉积[33]。为此，有必要引入GO溶液来使MWCNTs处于稳定的分散状态。图1-1石墨烯、碳纳米管结构[30]图1-2WS2结构图[36]石墨烯具有较大的分子吸附表面和出色的电学性能，在传感器上的应用日益普遍。已有研究表明归因于协同效应，碳纳米管和石墨烯复合材料在电化学传感方面具有优良的特性[34]。但是石墨烯没有宽阔的禁带带隙，导致它不能完全应用于电子器件方面。二硫化钨是一种二维的半导体材料[35]，具有类似于石墨的层状结构（分子结构如图1-2[36]），属于六方晶系[37]，有半导体性和抗磁性[38]。WS2层垂直于硫化物层逐层堆叠[39]，具有非常高的表面积与体积之比，禁带宽，兼有n型和P型电子传输特性、力学性能、电活性和稳定性[40]，适用于传感器件、晶体管、催化等领域［41-43］。单层二硫化钨具有固定的带隙和较高的电子迁移率，边缘
6图1-3PANI/GO薄膜上水分子吸附示意图水分子通过连接在GO纳米片上的羟基、羧基和环氧官能团以及PANI上的氨基吸于PANI/GO杂化物上。首先，形成化学吸附为代表的薄薄的水层。然后，在双氢键作用下外层加入，开始吸附水分子的第一物理吸附层，然后依次类推。在高湿下，通过单一氢键作用进一步形成水分子的第n层物理吸附。通过Grotthuss链式反应（H2O+H3O+→H3O++H2O），产生的水合H+作为电荷载体，游离水渗透到PANI/GO薄膜的层间[48-49]。二硫化钨具有极好的柔韧性、分散性[50]，有稳健的载流子迁移率、与层数相关的电子与光学特性，还具有宽带隙等特性[51-55]。这些性能促进二硫化钨作为敏感材料检测气体成为可能。当二硫化钨表面吸附了H2O、NO、CO、O2等气体分子，其稳定性、和电子特性会发生改变。当WS2与被吸附的气体分子之间发生电子移动，材料的n型半导体特性变化[56]，导致电学信号响应的改变。这使得它有可应用于未来的电子器件，尤其是在气体传感方向[57-59]。对于半导体材料，在湿度改变的过程中往往不是遵循单一的原理，而是多种因素共同作用的结果，能够引导电阻整体变化趋势的机理决定了电阻—相对湿度曲线图最终的走向。1.3柔性湿敏传感器的研究现状20世纪30年代，美国人Dunmore首次制成以LiCl为代表的电解质电阻型湿敏传感器[16、60]。自此以后的八十余年间，湿敏器件被众多研究者不断探索与改进。如今，小型化和柔性化的趋势已经显现。二硫化钨、氧化石墨烯、碳纳米管等材料被发现逐渐地用于研究各种电阻型湿度传感器。Yuan等人[61]用聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）纳米粒子和氧化石墨烯（GO）逐层
【参考文献】：
期刊论文
[1]多元主体参与下的高校教师角色冲突[J]. 王梦. 大众文艺. 2019(18)
[2]《果蔬贮藏保鲜技术与设施问答》摘编[J]. 朱明. 中国农民合作社. 2019(04)
[3]气敏类智能包装标签技术的研究进展[J]. 郭鹏飞,何昊葳,付亚波,许文才. 包装工程. 2018(11)
[4]智能包装技术的探索与应用[J]. 陈广学,陈琳轶,俞朝晖. 今日印刷. 2018(05)
[5]二硫化钨纳米材料的应用研究[J]. 戴琴,徐玄,顾进跃,祝令欣,欧邯,周叶. 中国钨业. 2018(01)
[6]氧化石墨烯分散单壁碳纳米管及薄膜的导电性能[J]. 耿宏章,王洁,罗志佳,达世勋,贾松霖. 天津工业大学学报. 2017(06)
[7]基于单层二硫化钨-多壁碳纳米管电化学传感器的构建及其对猕猴桃中多菌灵的检测研究[J]. 项园,熊万明,廖晓宁,陈金印. 江西农业大学学报. 2017(06)
[8]柔性温度传感器研究进展[J]. 潘小山,范维,周子冠,贺苗. 传感器与微系统. 2017(10)
[9]信息型智能包装技术及应用实践探微[J]. 李志浩. 中国包装工业. 2015(20)
[10]智能包装的分类、应用及前景[J]. 胡兴军,林燕. 印刷工业. 2010(03)
博士论文
[1]碳基纳米复合材料的制备及其电化学性能研究[D]. 邱小明.北京科技大学 2019
[2]基于有机多孔聚合物的湿度传感器的研究[D]. 江凯.吉林大学 2016
硕士论文
[1]一种功能性柔性传感器的研究[D]. 张劲杰.中北大学 2019
[2]柔性湿度传感器的制备与湿敏性能研究[D]. 李承臻.电子科技大学 2019
[3]基于金属硫化物的全光纤湿度传感器[D]. 陈超英.暨南大学 2016
[4]MOFs/碳基催化剂的制备及其氧化还原/析出性能[D]. 申伍先.北京化工大学 2016
[5]WS2/ZnS纳米复合材料的制备及物性研究[D]. 都秉龙.长春理工大学 2016
[6]锂硫电池硫基复合材料的制备及其电化学性能[D]. 马新周.吉林大学 2014
[7]智能化包装在整合设计中的应用研究[D]. 李晓.湖南工业大学 2013
[8]基于功能化碳纳米管的电化学传感器的构建与分析应用[D]. 赵英杰.南昌航空大学 2012
[9]基于高分子纳米复合物的湿度传感器及其湿敏性能研究[D]. 邓超.浙江大学 2012
[10]农产品流通组织模式构建研究[D]. 饶培元.湖南农业大学 2010
本文编号：3125191
【文章来源】：北京印刷学院北京市
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
WS2结构图[36]
4和优异的物理性质受到很多研究者的追捧[29]。碳纳米管内部的空洞结构和可用于气体吸附的外壁使其对很多常见气体都很十分敏感。然而，碳纳米管具有很大的缺点，即难溶于水，这在很大程度上制约了碳纳米管在柔性气体传感器上的应用。因为碳纳米管在溶液中分散困难，解决它的分散问题是碳管研究和使用的第一步。经研究发现，GO可以很好的与MWCNTs混溶，且不易沉积[33]。为此，有必要引入GO溶液来使MWCNTs处于稳定的分散状态。图1-1石墨烯、碳纳米管结构[30]图1-2WS2结构图[36]石墨烯具有较大的分子吸附表面和出色的电学性能，在传感器上的应用日益普遍。已有研究表明归因于协同效应，碳纳米管和石墨烯复合材料在电化学传感方面具有优良的特性[34]。但是石墨烯没有宽阔的禁带带隙，导致它不能完全应用于电子器件方面。二硫化钨是一种二维的半导体材料[35]，具有类似于石墨的层状结构（分子结构如图1-2[36]），属于六方晶系[37]，有半导体性和抗磁性[38]。WS2层垂直于硫化物层逐层堆叠[39]，具有非常高的表面积与体积之比，禁带宽，兼有n型和P型电子传输特性、力学性能、电活性和稳定性[40]，适用于传感器件、晶体管、催化等领域［41-43］。单层二硫化钨具有固定的带隙和较高的电子迁移率，边缘
6图1-3PANI/GO薄膜上水分子吸附示意图水分子通过连接在GO纳米片上的羟基、羧基和环氧官能团以及PANI上的氨基吸于PANI/GO杂化物上。首先，形成化学吸附为代表的薄薄的水层。然后，在双氢键作用下外层加入，开始吸附水分子的第一物理吸附层，然后依次类推。在高湿下，通过单一氢键作用进一步形成水分子的第n层物理吸附。通过Grotthuss链式反应（H2O+H3O+→H3O++H2O），产生的水合H+作为电荷载体，游离水渗透到PANI/GO薄膜的层间[48-49]。二硫化钨具有极好的柔韧性、分散性[50]，有稳健的载流子迁移率、与层数相关的电子与光学特性，还具有宽带隙等特性[51-55]。这些性能促进二硫化钨作为敏感材料检测气体成为可能。当二硫化钨表面吸附了H2O、NO、CO、O2等气体分子，其稳定性、和电子特性会发生改变。当WS2与被吸附的气体分子之间发生电子移动，材料的n型半导体特性变化[56]，导致电学信号响应的改变。这使得它有可应用于未来的电子器件，尤其是在气体传感方向[57-59]。对于半导体材料，在湿度改变的过程中往往不是遵循单一的原理，而是多种因素共同作用的结果，能够引导电阻整体变化趋势的机理决定了电阻—相对湿度曲线图最终的走向。1.3柔性湿敏传感器的研究现状20世纪30年代，美国人Dunmore首次制成以LiCl为代表的电解质电阻型湿敏传感器[16、60]。自此以后的八十余年间，湿敏器件被众多研究者不断探索与改进。如今，小型化和柔性化的趋势已经显现。二硫化钨、氧化石墨烯、碳纳米管等材料被发现逐渐地用于研究各种电阻型湿度传感器。Yuan等人[61]用聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）纳米粒子和氧化石墨烯（GO）逐层
【参考文献】：
期刊论文
[1]多元主体参与下的高校教师角色冲突[J]. 王梦. 大众文艺. 2019(18)
[2]《果蔬贮藏保鲜技术与设施问答》摘编[J]. 朱明. 中国农民合作社. 2019(04)
[3]气敏类智能包装标签技术的研究进展[J]. 郭鹏飞,何昊葳,付亚波,许文才. 包装工程. 2018(11)
[4]智能包装技术的探索与应用[J]. 陈广学,陈琳轶,俞朝晖. 今日印刷. 2018(05)
[5]二硫化钨纳米材料的应用研究[J]. 戴琴,徐玄,顾进跃,祝令欣,欧邯,周叶. 中国钨业. 2018(01)
[6]氧化石墨烯分散单壁碳纳米管及薄膜的导电性能[J]. 耿宏章,王洁,罗志佳,达世勋,贾松霖. 天津工业大学学报. 2017(06)
[7]基于单层二硫化钨-多壁碳纳米管电化学传感器的构建及其对猕猴桃中多菌灵的检测研究[J]. 项园,熊万明,廖晓宁,陈金印. 江西农业大学学报. 2017(06)
[8]柔性温度传感器研究进展[J]. 潘小山,范维,周子冠,贺苗. 传感器与微系统. 2017(10)
[9]信息型智能包装技术及应用实践探微[J]. 李志浩. 中国包装工业. 2015(20)
[10]智能包装的分类、应用及前景[J]. 胡兴军,林燕. 印刷工业. 2010(03)
博士论文
[1]碳基纳米复合材料的制备及其电化学性能研究[D]. 邱小明.北京科技大学 2019
[2]基于有机多孔聚合物的湿度传感器的研究[D]. 江凯.吉林大学 2016
硕士论文
[1]一种功能性柔性传感器的研究[D]. 张劲杰.中北大学 2019
[2]柔性湿度传感器的制备与湿敏性能研究[D]. 李承臻.电子科技大学 2019
[3]基于金属硫化物的全光纤湿度传感器[D]. 陈超英.暨南大学 2016
[4]MOFs/碳基催化剂的制备及其氧化还原/析出性能[D]. 申伍先.北京化工大学 2016
[5]WS2/ZnS纳米复合材料的制备及物性研究[D]. 都秉龙.长春理工大学 2016
[6]锂硫电池硫基复合材料的制备及其电化学性能[D]. 马新周.吉林大学 2014
[7]智能化包装在整合设计中的应用研究[D]. 李晓.湖南工业大学 2013
[8]基于功能化碳纳米管的电化学传感器的构建与分析应用[D]. 赵英杰.南昌航空大学 2012
[9]基于高分子纳米复合物的湿度传感器及其湿敏性能研究[D]. 邓超.浙江大学 2012
[10]农产品流通组织模式构建研究[D]. 饶培元.湖南农业大学 2010
本文编号：3125191
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