导电聚合物PEDOT:PSS湿度响应功能器件的制备与应用

发布时间：2020-11-03 02:02

　　 湿度作为一种重要的环境参数,在人们生产生活的各个领域都扮演着重要角色。同时,湿度作为一种环境友好型能源也得到越来越多的重视。因此合理借助湿度变化开发能源器件和对环境湿度进行有效监测具有重要的研究意义。湿度传感器和湿度响应致动器作为监测湿度和利用湿度变化的功能器件,近年来得到越来越多的研究和发展。湿度传感器方面,更多的复合材料被开发用于湿度监测,传感器的性能也得到不断提升。湿度响应致动器方面,更多智能化、生物相容性好且应用场景更为广泛的致动器被开发。虽然监测湿度和利用湿度变化的湿度响应功能器件得到了长足的发展,但随着科技的不断进步,人们生活正朝着智能化方向发展,特别在可穿戴器件的研发以及对周围环境能源的合理利用等方面需求日益凸显,湿度响应功能器件在设计、制备、集成与应用等方面仍存在一些问题:(1)器件结构:器件结构相对简单,缺乏结构化设计改善器件性能;(2)器件尺寸:器件尺寸普遍为宏观器件,开发微型化、集成化器件的需求逐步提升;(3)器件功能:器件功能相对单一,湿度响应致动器面临实用化功能拓展的挑战。针对上述问题,本论文选用聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)为湿度敏感材料,借助纳米压印、激光直写、旋涂-热蒸发等加工工艺,围绕PEDOT:PSS的湿度敏感特性,设计并制备了湿度响应功能器件,解决了器件结构化、器件微型化、器件集成化和器件功能拓展化等问题,研究了器件的特性及应用。主要成果具体如下:1.PEDOT:PSS湿度响应功能器件的结构化。利用纳米压印技术将微结构引入PEDOT:PSS湿度传感器,通过器件结构化提升器件性能。纳米压印制备的PEDOT:PSS微结构具有良好的空间均匀性和大面积均匀性,通过调节纳米压印模板参数,实现多种宽度微结构的可控制备。基于PEDOT:PSS微结构制备的湿度传感器具有良好的稳定性和较短的响应-恢复时间(1.12 s/0.59 s)等优点。纳米压印技术制备的PEDOT:PSS/MXene微结构湿度传感器比PEDOT:PSS微结构湿度传感器的灵敏度高出一个数量级。2.PEDOT:PSS湿度响应功能器件的微型化。利用飞秒激光直写技术制备PEDOT:PSS微米线湿度传感器,在器件结构化基础上实现器件尺寸微型化,进一步提升器件性能。PEDOT:PSS微米线湿度传感器具有微型化(有效工作区域100μm~2),可集成和响应-恢复时间短(0.86 s/0.59 s)等优点。PEDOT:PSS微米线湿度传感器可实现人体呼吸的实时监测与不同状态下呼吸频率的区分。同时,PEDOT:PSS微米线湿度传感器可以用于实时监测实验大鼠的呼吸频率,并能记录注射呼吸促进类药物前后大鼠的呼吸频率变化,展现出其在药物递送等药理学研究中的应用前景。3.PEDOT:PSS湿度响应功能器件的集成化。利用飞秒激光直写制备PEDOT:PSS/P3HT微米线双重响应集成传感器,在器件尺寸微型化的基础上,进一步探索集成传感器的开发。飞秒激光直写P3HT溶液制备出微型紫外光电探测器,通过掺入Zn O、Ti O_2等纳米粒子对P3HT微米线紫外光电探测器性能进行优化。将P3HT微米线和PEDOT:PSS微米线集成于一个器件上,可实现紫外光和湿度的双重探测,且两种探测功能互不干扰。证明了飞秒激光直写技术在制造集成化传感器方面的能力。4.PEDOT:PSS湿度响应功能器件的功能拓展化。利用旋涂-热蒸发工艺实现PEDOT:PSS/PVDF双层膜湿度响应致动器和发电机的可控制备,在湿度传感器的基础上对PEDOT:PSS在湿度响应致动器中的功能化应用进行拓展。PEDOT:PSS/PVDF双层膜致动器具有大范围双向弯曲能力(-191°~225°),可靠的响应-恢复特性以及良好的稳定性。进一步借助激光切割技术可以将PEDOT:PSS/PVDF双层膜致动器制成任意二维形状。基于PEDOT:PSS/PVDF双层结构的湿度响应发电机能够有效的将湿度变化转化为稳定的直流电压输出,最大值可达150m V。这种湿度发电机具有良好的电路兼容性,可直接为电容器充电,并点亮LED灯。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TQ317;TP212
【部分图文】：

呼吸过程有明显的水分子浓度变化,且不论环境相对湿度高低,吸气过程由于气流带走空气中的水蒸气,均会造成局域相对湿度下降;呼气过程因呼出水蒸气,均会造成局域相对湿度上升。因此湿度传感器可以监测人的呼吸过程,获得呼吸频率和呼吸深度等呼吸健康信息。在此,我们把用嘴呼吸以及说话、咳嗽时产生的湿度变化也归为呼吸监测的范畴。呼吸监测的基础功能是实现对呼吸过程湿度变化的记录,进一步可以根据实时监测数据提取出呼吸频率、呼吸深度等数据。例如,Wu等人利用液滴涂布法将碳纳米线圈水分散液制备在柔性液晶聚合物基底上,从而制造出具有快速响应、高灵敏度和高分辨率的湿度传感器[4]。利用此湿度传感器可以准确地监测人的呼吸、说话、吹气等。同时,它还可以通过识别呼吸模式来区分人不同的身体状态。Zhen等人用化学气相沉积法在铜-锌合金上生长具有独特的褶皱形态的石墨烯,并以此制成具有超快速响应的湿度传感器[5]。该传感器被制成面具,并成功地用于监测呼吸频率和深度的突然变化,例如呼吸障碍或停滞(图1.1),以及由于谈话、咳嗽引起的湿度变化。由呼吸监测的基础功能进一步发展,可以实现对呼吸相关疾病的监测。呼吸作为一项人体重要生理活动,是人体健康的重要指标之一,肺炎、哮喘、阻塞性睡眠呼吸暂停等诸多疾病的外在表现均包括呼吸异常。研究者通过对呼吸频率、峰值流速等数据的监测与处理,可以实现对肺部或呼吸道相关疾病的监测。例如,Bhattacharjee等人通过在纸张表面沉积金纳米粒子和硫化镉纳米粒子制备了纸基湿度传感器[6]。将纸基湿度传感器与吸嘴、微型加热器和实时监测单元组装可以用于实时肺功能监测。该设备集成了两种类型的实时监视单元:基于LED的单元通过闪烁不同颜色的LED来显示肺部的疾病,基于移动监视单元的软件可以通过智能手机进行肺功能参数的实时测试、监控、分析和数据存储(图1.2)。

由呼吸监测的基础功能进一步发展,可以实现对呼吸相关疾病的监测。呼吸作为一项人体重要生理活动,是人体健康的重要指标之一,肺炎、哮喘、阻塞性睡眠呼吸暂停等诸多疾病的外在表现均包括呼吸异常。研究者通过对呼吸频率、峰值流速等数据的监测与处理,可以实现对肺部或呼吸道相关疾病的监测。例如,Bhattacharjee等人通过在纸张表面沉积金纳米粒子和硫化镉纳米粒子制备了纸基湿度传感器[6]。将纸基湿度传感器与吸嘴、微型加热器和实时监测单元组装可以用于实时肺功能监测。该设备集成了两种类型的实时监视单元:基于LED的单元通过闪烁不同颜色的LED来显示肺部的疾病,基于移动监视单元的软件可以通过智能手机进行肺功能参数的实时测试、监控、分析和数据存储(图1.2)。(二)皮肤监测湿度传感器

通常情况下,与呼吸监测相比,皮肤表面湿度监测时的湿度信号更弱,因而对湿度传感器的灵敏度和检测极限等性能参数提出了更高的要求。皮肤表面的湿度监测不仅对健康监测有重要意义,而且在非接触式定位中也有着巨大应用潜力。一部分皮肤监测湿度传感器是通过对皮肤表面汗液水平等湿度信息的监测从而对皮肤健康以及体感舒适度等进行信息反馈。此类皮肤监测湿度传感器需附着于皮肤表面或与皮肤近距离接触,因此对传感器的材料组分的安全性和亲肤性等都有着更高要求。例如,Jeong等人通过使用生物相容性材料(金、聚乙烯醇和聚对二甲苯)开发了可长时间监测皮肤湿度的透气纳米网湿度传感器[7]。该传感器具有出色的透气性和汗液渗透性,并可以长时间精确检测湿度水平。如图1.3所示,该传感器成功地实时监测人体皮肤的湿度水平,可用于揭示皮肤湿度与疾病之间的相关性。图1.4 Ti3C2/Ag湿度传感器用于非接触式记录移动的手指与传感器距离[8]。
【参考文献】

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1 王家畴;荣伟彬;李昕欣;孙立宁;;基于体硅工艺的定位平台制作工艺分析[J];光学精密工程;2008年04期

本文编号：2867922