论文部分内容阅读
柔性电子器件和传感器作为人、机、物链接的枢纽,在物联网的发展体系中占有重要的地位。与传统的传感器不同,柔性传感器更着重于人体的可穿戴性和自身的多功能性。羟乙基纤维素（HEC）作为典型的纤维素衍生物,具有产量丰富、价格低廉、绿色环保和加工能力强的特点,可作为可穿戴设备的基体材料。然而,HEC的机械和导热性能较差且缺乏导电能力。因此,利用不同的纳米材料与HEC复合制备具有多功能性的纳米复合材料,能显著促进纤维素基柔性电子器件的发展。针对上述问题,首先通过纤维素纳米微晶（CNC）、芳纶纳米纤维（ANFs）和羟基磷灰石纳米线（HNs）与HEC构建单层单功能的复合薄膜,研究一维纳米材料对单功能性的影响;然后利用高粘HEC溶液辅助球磨制备氮化硼纳米片（BNNS）,研究二维纳米材料对体系导热性能的影响规律;在提高复合薄膜导热性能和绝缘性能的基础上,通过涂覆转印工艺制备双功能性Janus薄膜,研究不同银纳米线（AgNWs）含量对导电性能的影响规律;最后以HEC/BNNS作为上下表层,石墨烯/AgNWs作为芯层构建三明治结构复合薄膜,研究AgNWs对材料传感性能和电磁屏蔽性能的影响规律,揭示三明治结构对材料自支撑性和稳定性的影响机制。主要结论如下:（1）通过聚异氰酸酯（BPIC）和CNC有效提高了 HEC薄膜的机械和抗水性能。当CNC含量为4%,BPIC含量为10%时,复合薄膜的拉伸强度和接触角分别为30.2 MPa和100.1°,与HEC薄膜相比提高了 24.5 MPa和51.6°。CNC的引入降低了交联后HEC微球的团聚现象,并形成了孤岛增强型结构的HEC和CNC复合体,在强化HEC强度的同时起到表面活性剂的作用,解决HEC作为电子包装材料疏水性差的问题。（2）将ANFs与HEC混合后制备出三维互穿稳定网络结构的复合薄膜,二者通过氢键和物理缠结作用强化了材料的机械性能,利用ANFs的电子共轭结构赋予薄膜紫外屏蔽性能,解决了 HEC作为户外设备封装材料机械性能差和抗紫外性能弱的问题。当ANFs含量为1.0 wt.%时,HEC/ANFs复合薄膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为55.6MPa和38.4%,ANFs通过一维纳米纤维独特的牵引作用提高HEC/ANFs复合材料的综合机械性能。当ANFs含量为1.5 wt.%时,HEC/ANFs复合薄膜的UPF值高达43.41,显著提升了 HEC基复合薄膜的紫外屏蔽效果,有利于HEC作为户外穿戴器件中封装材料的应用潜力。（3）将多羟基的HNs和HEC相复合,利用无机材料和有机材料形成的仿贻贝结构,强化了复合薄膜的电绝缘性能。当HNs含量为20 wt.%时,复合薄膜的特征击穿强度和体积电阻率分别为12.7 kV/mm和2.13 × 1011Ω/cm,与HEC薄膜相比分别提高了 32%和120%。HNs在HEC基体内部形成了层状无机结构能有效降低高压电场对薄膜的损伤,解决了 HEC绝缘性差的缺点,使HEC可作为绝缘材料应用于柔性穿戴设备中。（4）通过高粘度的HEC溶液对氮化硼粉末进行液相球磨,在制备BNNS的同时获得了 HEC/BNNS溶液,将纳米材料的制备和聚合物/纳米材料的生产一锅法成型,大幅度降低了生产成本和制备时间。HEC溶液在球磨过程中能有效降低BNNS的损伤和团聚现象,并对纳米材料进行有机修饰,提高了 BNNS和HEC基体复合效果。当BNNS含量为20wt.%时,HEC/BNNS20复合薄膜的拉伸强度为34.0 MPa、断裂伸长率为51.0%,导热系数为0.234W·m-1·K-1,表明BNNS能有效提高HEC材料的机械性能和导热性能,同时HEC/BNNS复合薄膜可应用于柔性电子器件的热管理材料。（5）以制备的HEC/BNNS（HB）薄膜为热管理基体,在其表面涂覆AgNWs赋予薄膜的导电性能,制备出导电导热的Janus复合薄膜,并作为弯曲传感器应用于柔性穿戴设备中。当AgNWs的浓度为1.0 wt.%时,HB/AgNWs复合薄膜的拉伸强度为36.4 MPa,导电率为79.1 S/m,导热系数为0.244 W·m-1·K-1,在弯曲循环500次后仍具有良好的弯曲传感性能。（6）一维AgNWs和二维电剥离石墨烯（EG）通过真空辅助抽滤法形成仿叶片结构的导电芯层,并将HB材料作为导热绝缘的上下表层,制备出三明治结构的多层复合薄膜,作为运动传感器、柔性加热器和电磁屏蔽层能应用于柔性穿戴设备领域。当AgNWs含量为20 wt.%时,获得的三层复合薄膜具有高达22.0 MPa的拉伸强度。AgNWs和EG形成的双导电网络具有良好的互补作用,弯曲传感器在1500次后仍具有良好的传感性能。本论文采用一维纳米材料解决了 HEC作为柔性电子器件中机械性能弱和绝缘性能差的问题,通过BNNS强化了材料的导热性能,并引入EG和AgNWs导电芯层构建出三明治结构薄膜,其具有传感、电热转换和电磁屏蔽多功能特性,有效推动了纤维素基柔性电子器件的发展。