高性能EVA基可修复应变传感器的制备及其性能

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:suqingcsj
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
近年来,可穿戴设备由于具有良好的柔韧性、可折叠性、体积小、质量较轻,以及优异的生物相容性等优势而受到广泛重视。作为可穿戴设备的核心部件,柔性热应变传感器已在人机交互、身体运动和健康检测以及电子皮肤等应用领域中具有前所未有的机遇。由高分子材料与导电填料所构成的导电聚合物复合物(Conductive polymer composites,CPCs)拥有优异的柔韧性、易加工以及良好的力学特性和电性能等优势,在柔性应变传感器等方面表现出了巨大的发展潜力。然而,开发具有高灵敏度、宽传感范围和卓越耐用性等优异特性的高性能CPCs柔性应变传感器仍然是一项巨大的挑战。一方面,高灵敏度和宽传感范围这两个性能指标是矛盾的,前者要求在微小应变下发生显著的结构变化,而后者需要在大变形下保持形貌完整性;另一方面,制备CPCs应变传感器基体均为粘弹性聚合物,使用过程中传感器总是伴随着导电网络的破坏而使得器件无法长久使用。因此,如何解决上述难题引发学者的广泛思考。本论文紧扣高性能CPCs应变传感器对高灵敏度、宽传感范围和卓越耐用性的需求,采用具有形状记忆性能的乙烯-醋酸乙烯酯(Poly(ethylene-co-vinyl acetate),EVA)为基体材料、优异导热性和光热转换性的一维碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)与二维MXene为导电填料、优异粘附性能的聚多巴胺(Polydopamine,PDA)为粘附剂,分别制备了PDA@CNTs/EVA纤维和MXene/CNTs/EVA纤维基应变传感器,并对其结构和性能开展了系列研究,具体内容如下:(1)为了获得宽传感范围、高灵敏度和卓越耐用性等优异特性的柔性应变传感器,以EVA、CNTs和PDA为主要原料,通过双螺杆挤出机挤出拉伸制备EVA纤维,先后采用溶胀-超声法和原位聚合法制得CNTs/EVA纤维和PDA@CNTs/EVA纤维。采用SEM、万能试验机、TGA、电化学工作站和静电计等仪器设备,表征分析了该纤维的微观结构、力学性能、热稳定性和传感性能,并探究了该纤维在人体运动监测方面的应用性能。实验结果表明:CNTs均匀地嵌入EVA表面,PDA呈颗粒状黏附在CNTs上面,形成了稳定牢固的导电网络;PDA@CNTs的引入增强了EVA纤维的力学性能,改善了EVA纤维的热稳定性;同时,PDA@CNTs/EVA应变传感器具有大应变传感范围(330%)、高线性度(应变0~75%,R~2≥99%)、快响应速度(257.8 ms)、优异的静态稳定性和动态耐用性(>3000次循环);此外,PDA@CNTs/EVA应变传感器在人体运动(包括肘关节的运动、手指的弯曲)检测具有良好的响应,表明传感器在可穿戴设备具有潜在的应用前景。(2)为了进一步提高应变传感器的灵敏度、并且实现可修复从而延长传感器使用寿命,本章在(1)的基础上,引入二维MXene协同一维CNTs构建微裂纹结构导电网络,制备了MXene/CNTs/EVA纤维。探究了MXene和CNTs对MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度和传感范围的影响。通过对MXene/CNTs/EVA纤维表面形貌结构和拉伸敏感行为的研究,阐明了MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度、传感范围、传感机理、响应时间及动态耐用性。基于残余应变的产生,探究了EVA基体粘弹性对MXene/CNTs/EVA应变传感器动态耐用性的影响,并且研究了MXene/CNTs/EVA纤维的熔融-结晶温度和形状记忆性能。基于MXene/CNTs优异的导热性和光热转换性,采用直接加热和红外光加热的方式对MXene/CNTs/EVA纤维进行修复,并通过对修复后的MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度、动态耐用性和力学性能测试,评估MXene/CNTs/EVA应变传感器的热和光修复效果。此外,采用修复后的MXene/CNTs/EVA应变传感器,检测人体细微和大幅动作(包括膝关节和手指的弯曲、说话和嘴巴开/合),进一步评估MXene/CNTs/EVA纤维在可穿戴柔性应变传感器的价值。实验结果表明:在制备传感器过程中,可通过改变MXene和CNTs用量来实现灵敏度和传感范围的可调节,二维MXene与一维CNTs用量比值越大,MXene/CNTs/EVA应变传感器的灵敏度越高,应变传感范围越小;制备所得的MXene/CNTs/EVA纤维形成了牢固且灵敏的导电网络,CNTs和MXene牢固地嵌入EVA纤维表面,一维线状CNTs彼此缠绕并连接相邻的MXene二维片层。同时,该应变传感器具有优异的传感性能,其兼具宽传感范围(190%)、高灵敏度(82.5)、超快响应速度(178.9 ms)和优异的耐用性和稳定性(10000次循环)。而且,该应变传感器具有光热双重自修复性能,经长期使用后形成的残余应变可在80°C加热2 min或红外光照射5.4 s(808 nm,120 m W/cm~2)进行修复,其力学和电学性能可以恢复到原来的92%和94%。此外,再修复的MXene/CNTs/EVA应变传感器也能准确监测人体细微和较大的运动。综上所述,本论文所制备的EVA基导电复合材料应变传感器兼具宽传感范围、高灵敏度、高线性度、超快响应速度、优异的耐用性和光热双重自修复性能,在自修复可穿戴应变传感器领域的具有潜在的应用价值。
其他文献
水稻(Oryza sativa)是全世界的主要粮食作物之一,稻米产量对中国乃至全球的粮食安全至关重要,抽穗期决定了水稻在不同地区的适应能力以及作物产量和品质,是水稻中最受关注的性状之一。同时,水稻也是研究单子叶作物的模式植物,开展水稻抽穗期调控基因的克隆及其功能研究,对于进一步完善水稻开花途径的分子调控机理、增加水稻的适应性和提高农业作物产量和品质具有重要的理论和实践意义。本研究以水稻中花11为材
学位
氢气作为化工行业重要的生产原料,也是最清洁的可再生能源之一。微生物暗发酵制氢反应条件温和、对环境友好、无污染,是极具应用前景的制氢工艺之一。微生物产氢效率较低是限制该技术产业化应用的瓶颈问题。因此,挖掘微生物的产氢潜能,打破微生物制氢效率瓶颈,是生物制氢走向产业化应用的关键。产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)培养条件简单、生长速度快、可高密度培养、底物利用范围广,且可以与有
学位
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有优异的成纤性、耐磨性、防蠕变性以及低吸水性和高电气绝缘性,是重要的高分子材料;但它极限氧指数(LOI)约为21%,属于易燃材料,且高温燃烧过程中易生成许多熔融滴落物,造成火势继续蔓延扩大。为拓宽其应用市场和前景,对其进行抗熔滴阻燃改性已成为当下研究热点。选用阻燃单体2-羧乙基苯基次磷酸(CEPPA)通过直接缩聚制备阻燃聚酯PET;并分别选用有机蒙脱土(OMMT)、
学位
背景:条纹斑竹鲨因其独特的生长环境导致其肝脏内小RNA种类比较丰富。环形RNA(circ RNA)是一种缺少5’(帽)和3’(聚腺苷酸)尾巴并通过共价健结合形成的闭环非编码RNA,在多种物种中被发现且具有重要调控功能,肝癌的发生、发展与circ RNA关联密切,circ RNA可被视为癌症生物标志物。但鲨鱼肝脏组织中潜在的circ RNA尚未报道,探索鲨鱼肝脏circ RNA对于理解circ RN
学位
电子商务产业是我国互联网经济的重要一支,其中线上购物和网约车的兴起,不仅改变了人们的消费方式,也在很大程度上缓解了我国的就业难题。然而立法不能总是与新事物的诞生同步发展,相关监管制度的缺失使得网络刷单搭坐电商经济的顺风车以不同的形式出现。作为新类型的网络犯罪,财产型刷单行为的频繁发生,不仅侵害了电商平台的权益,更是破坏了市场经济的应然秩序,给电商经济的发展带来了极大的负面效应。鉴于目前国内外对于网
学位
海绵城市概念是我国在参考和借鉴世界上发达国家治理城市洪涝问题和改善城市水环境的经验基础上,结合我国国情以及未来的发展规划,提出的新一代城市雨洪管理概念。目前我国的海绵城市规划建设体系仍处于初级阶段,现有文献在构建海绵城市PPP(Public-Private Partnership)项目绩效评价体系时,或全盘照搬国务院的海绵城市建设指导文件,或存在评价指标不全面的情况,从PSIR(压力、状态、影响、
学位
工业机器人作为21世纪先进生产力的重要标志性设备,早已渗透到各行各业当中。使用机器人代替人类完成各项工作,能够有效提高生产制造的效率和产品质量。这一规律推动着工业机器人逐步往柔性化、重载化、高速化等方向发展。针对工业机器人运动过程中,臂杆及关节的弹性变形所造成的定位精度低下,以及机构运动可靠度低下的问题。以UR10工业机械臂和关节内部的谐波减速器为主要研究对象,探究谐波减速器柔性效应所造成的传动误
学位
随着全球资源耗竭和环境污染的日益严峻,全人类将逐渐面临生态恶化和生存危机的困境,人们开始意识到环保的重要性和急迫性。时尚产业是目前全球第二大污染制造者,其快速发展严重影响着地球环境,近年来,时尚行业对环保的关注也达到了空前的高度。毛衫产业在生产制造中存在许多资源浪费的现象,大量的毛衫废料被降级回收而缩短了其生命周期;而时尚展示作为时尚行业中展销推广的重要途径,带来的资源消耗和环境污染也不容小觑。这
学位
在医用和卫生用纺织品中,棉类占据主要地位。白棉纱布是人们在日常生活中经常使用的产品,被用以覆盖疮、伤口等。而彩棉作为一种天然带有颜色的棉花常应用于纺织服装方面,但随着对天然彩棉纤维材料进行深层次的挖掘研究,并进行功能性的探索,彩棉的特性逐渐显现出来。天然彩棉具有优异的抗菌性和抗氧化性,这使其在医用卫生材料的应用方面有着巨大潜力,可以被制作成为性能优异的纱布敷料,本课题旨在探究天然彩棉纱布敷料对创面
学位
中医药(traditional Chinese medicine,TCM)是我国传统文化不可或缺的组成部分,在我国的医疗保健体系中发挥着重要作用。在新型冠状病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)的临床治疗和防控中,中医药贡献了重要力量,进一步提升了其在世界上的影响力。然而,在中药材市场流通过程中,种源鉴定、种植管理等环节缺乏科学理论的指导导致药材混淆掺伪、
学位