蚕丝织物基柔性应变传感器的制备与研究
发布时间：2021-03-27 19:51
近年来,可穿戴电子产品迅速兴起,因其展现在医疗健康、运动检测等领域的巨大的应用价值与市场前景而成为研究的热点,但通过简单经济的方法获得兼具高灵敏度与宽感应范围的柔性传感器仍面临巨大挑战。本课题以天然丝绸为原料,通过脱胶处理与高温碳化工艺得到具有一定导电性的碳布（carbonized silk fabric:CSF）;并将其与弹性基体（PDMS）进行复合获得高灵敏度、宽响应范围的柔性应变传感器（CSF@PDMS）;进一步,研究了蚕丝基织物的编织结构对传感性能的影响,以探究传感机制;最后将制备所得的传感器成功应用于人体运动检测,并尝试制备出了柔性触控键盘中。主要结论如下:（1）探究了蚕丝脱胶处理对传感性能的影响。主要研究了温度、处理时间、试剂种类对传感性能的影响,发现温度过高与处理时间过长均会导致丝素蛋白的结构被破坏;其中,经8M尿素80℃恒温处理3h时,脱胶率为10.49%,CSF平均电阻为107.4Ω,采用拉曼光谱进一步验证表明其具备更加完善的六元环结构;与PDMS封装复合后,所得柔性传感器在0-150%的感应范围下灵敏度为160.87。研究结果表明合适的脱胶处理工艺,有利于碳化丝绸向...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性传感器的结构示意图
东华大学硕士学位论文蚕丝织物基柔性应变传感器的制备与研究2表1近年来已公开部分柔性传感器的性能对比1.2柔性传感设备的传感机理柔性传感器是将外部刺激转换为电学性能改变的装置，了解其传感机理对研究柔性传感具有重大意义，主要可以将其概括为以下四种：压阻式[7-8]、电容式、压电式以及摩擦生电式，传感机理图如1-2所示[9]。图1-2传感机理示意图[9](a)压阻式；(b)电容式；(c)压电式；(d)摩擦发电式感应材料基体材料灵敏度变形范围文献AgMFsPU173.660-3%[13]AgNWsPDMS84.60-5%[14]AgPU纤维4500-200%[22]CBPDMS0.910-100%[21]CBPDMS5.520-91%[42]CBPU390-60%[48]GrephenePDMS6730-10%[25]GrepheneTPU纤维毡23.30-50%[50]CNTsPDMS2.90-10%[26]BC/CNTsPU1.570-70%[46]棉布羊毛蚕丝蚕丝PDMSTPUPDMSPDMS2574.834.479.60-60%0-80%0-15%0-250%[57][58][63][66]
东华大学硕士学位论文蚕丝织物基柔性应变传感器的制备与研究31.1.1压阻式压阻式柔性传感器是一种将外部刺激如压力、拉力等转换为感应材料的阻值变化从而以电信号的形式输出的装置。当传感器受到拉伸或压缩时，其内部导电材料沿力的方向变形产生裂纹、分散，从而形成断路增大电阻，因此，感应材料的选择与基体的结构设计对传感性能有重要影响。零维结构中，主要是通过将柔性弹性体聚合物如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)[10]、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)[11]、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶[12]和聚氨酯(PU)等与导电粒子复合，其中包括金属纳米粒子[13-14]、导电聚合物[15-16]和先进碳材料[17-20]等进行复合，其电阻变化来源于导电粒子在弹性基体中的相互接触从而产生传感效应。如郑[21]等将导电碳材料如碳纳米管、炭黑与PDMS混合制备得到柔性传感器，当应变范围在0-100%时，灵敏度为0.91，形变范围为100-255%时，灵敏度上升到3.25，该传感器可以应用于人体运动检测如手指弯曲、手腕和手肘的运动模式识别。一维结构中，将导电粒子沉积在弹性丝线如氨纶表面，形成鞘芯结构用于制备柔性传感器，当氨纶受力发生变形，导电粒子涂层产生裂纹形成短路从而改变电阻，该结构无需再次封装简化了制备工艺流程，具有重要价值[22]。如图1-3所示，Lei等[23]采用粘弹性较好的放生矿物水凝胶成功制备了一种离子皮肤传感器，该传感器对微小压力变化即为敏感且具有较强的自我恢复能力与延展性，可图1-3仿生矿物水凝胶传感器模拟人体皮肤感应[23]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Facilely prepared layer-by-layer graphene membrane-based pressure sensor with high sensitivity and stability for smart wearable devices[J]. Tao Liu,Caizhen Zhu,Wei Wu,Kai-Ning Liao,Xianjing Gonga,Qijun Sun,Robert K.Y.Li. Journal of Materials Science & Technology. 2020(10)
[2]基于碳材料的柔性压力传感器研究进展[J]. 何崟,周艺颖,刘皓,孙可可,李晓久,王晓云. 化工进展. 2018(07)
[3]丝素蛋白在生物医用材料中的应用[J]. 李晓茹. 产业用纺织品. 2018(04)
[4]再生丝素蛋白纤维及其在生物医用材料中的研究进展[J]. 吴惠英. 丝绸. 2017(03)
[5]柔性可穿戴电子传感器研究进展[J]. 钱鑫,苏萌,李风煜,宋延林. 化学学报. 2016(07)
[6]不同脱胶方法对蚕丝性能的影响分析[J]. 周小进,董雪. 针织工业. 2013(04)
[7]蚕丝在生物医学应用上的研究进展[J]. 孙春凤,陈克平. 生物学杂志. 2013(02)
[8]蚕丝脱胶方法的比较分析[J]. 张雨青. 蚕业科学. 2002(01)
硕士论文
[1]分子量可控的再生家蚕丝素蛋白制备研究[D]. 黄锋.东华大学 2015
本文编号：3104112
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
柔性传感器的结构示意图
东华大学硕士学位论文蚕丝织物基柔性应变传感器的制备与研究2表1近年来已公开部分柔性传感器的性能对比1.2柔性传感设备的传感机理柔性传感器是将外部刺激转换为电学性能改变的装置，了解其传感机理对研究柔性传感具有重大意义，主要可以将其概括为以下四种：压阻式[7-8]、电容式、压电式以及摩擦生电式，传感机理图如1-2所示[9]。图1-2传感机理示意图[9](a)压阻式；(b)电容式；(c)压电式；(d)摩擦发电式感应材料基体材料灵敏度变形范围文献AgMFsPU173.660-3%[13]AgNWsPDMS84.60-5%[14]AgPU纤维4500-200%[22]CBPDMS0.910-100%[21]CBPDMS5.520-91%[42]CBPU390-60%[48]GrephenePDMS6730-10%[25]GrepheneTPU纤维毡23.30-50%[50]CNTsPDMS2.90-10%[26]BC/CNTsPU1.570-70%[46]棉布羊毛蚕丝蚕丝PDMSTPUPDMSPDMS2574.834.479.60-60%0-80%0-15%0-250%[57][58][63][66]
东华大学硕士学位论文蚕丝织物基柔性应变传感器的制备与研究31.1.1压阻式压阻式柔性传感器是一种将外部刺激如压力、拉力等转换为感应材料的阻值变化从而以电信号的形式输出的装置。当传感器受到拉伸或压缩时，其内部导电材料沿力的方向变形产生裂纹、分散，从而形成断路增大电阻，因此，感应材料的选择与基体的结构设计对传感性能有重要影响。零维结构中，主要是通过将柔性弹性体聚合物如聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)[10]、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)[11]、聚酰亚胺(PI)、硅橡胶[12]和聚氨酯(PU)等与导电粒子复合，其中包括金属纳米粒子[13-14]、导电聚合物[15-16]和先进碳材料[17-20]等进行复合，其电阻变化来源于导电粒子在弹性基体中的相互接触从而产生传感效应。如郑[21]等将导电碳材料如碳纳米管、炭黑与PDMS混合制备得到柔性传感器，当应变范围在0-100%时，灵敏度为0.91，形变范围为100-255%时，灵敏度上升到3.25，该传感器可以应用于人体运动检测如手指弯曲、手腕和手肘的运动模式识别。一维结构中，将导电粒子沉积在弹性丝线如氨纶表面，形成鞘芯结构用于制备柔性传感器，当氨纶受力发生变形，导电粒子涂层产生裂纹形成短路从而改变电阻，该结构无需再次封装简化了制备工艺流程，具有重要价值[22]。如图1-3所示，Lei等[23]采用粘弹性较好的放生矿物水凝胶成功制备了一种离子皮肤传感器，该传感器对微小压力变化即为敏感且具有较强的自我恢复能力与延展性，可图1-3仿生矿物水凝胶传感器模拟人体皮肤感应[23]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Facilely prepared layer-by-layer graphene membrane-based pressure sensor with high sensitivity and stability for smart wearable devices[J]. Tao Liu,Caizhen Zhu,Wei Wu,Kai-Ning Liao,Xianjing Gonga,Qijun Sun,Robert K.Y.Li. Journal of Materials Science & Technology. 2020(10)
[2]基于碳材料的柔性压力传感器研究进展[J]. 何崟,周艺颖,刘皓,孙可可,李晓久,王晓云. 化工进展. 2018(07)
[3]丝素蛋白在生物医用材料中的应用[J]. 李晓茹. 产业用纺织品. 2018(04)
[4]再生丝素蛋白纤维及其在生物医用材料中的研究进展[J]. 吴惠英. 丝绸. 2017(03)
[5]柔性可穿戴电子传感器研究进展[J]. 钱鑫,苏萌,李风煜,宋延林. 化学学报. 2016(07)
[6]不同脱胶方法对蚕丝性能的影响分析[J]. 周小进,董雪. 针织工业. 2013(04)
[7]蚕丝在生物医学应用上的研究进展[J]. 孙春凤,陈克平. 生物学杂志. 2013(02)
[8]蚕丝脱胶方法的比较分析[J]. 张雨青. 蚕业科学. 2002(01)
硕士论文
[1]分子量可控的再生家蚕丝素蛋白制备研究[D]. 黄锋.东华大学 2015
本文编号：3104112
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/3104112.html
