Сенсори вологості на основі наноцелюлози для гнучкої електроніки
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Лапшуда В. А. Сенсори вологості на основі наноцелюлози для гнучкої електроніки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2024.
Робота присвячена дослідженню наноцелюлози та її модифікацій для застосування у якості вологочутливого шару у складі гнучких сенсорів відносної вологості повітря. Науково-прикладні дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, зосереджені на практичному дослідженні характеристик гнучких сенсорів відносної вологості повітря на основі наноцелюлози, композитів на основі наноцелюлози та карбонізованої наноцелюлози. В сучасних науково-технічних дослідженнях гнучких сенсорів відносної вологості повітря все ширше застосовуються біорозкладні матеріали. Сенсори, виготовлені на основі біорозкладних матеріалів, не потребують утилізації після закінчення їх терміну використання. Такі прилади просто розкладаються у природних умовах за участі грибів та бактерій, не накопичуючись при цьому та не забруднюючи довкілля. Однак сенсори на основі таких матеріалів не є довговічними. З іншого боку, для ряду застосувань є потреба у розробці дешевих одноразових сенсорів. Для прикладу це може бути медична сфера, спорт, побут: для моніторингу фізичної активності та/або реабілітації спортсменів, військових або людей з обмеженими можливостями (моніторинг дихання та потовиділення). Для досліджень в даній роботі використовувалася наноцелюлоза (НЦ), отримана із недеревної сировини, а саме з рослин, які є відходами сільського господарства. Використання недеревної сировини дозволяє не вирубувати дерева для виготовлення даного матеріалу. При цьому порівнювалися між собою різні типи наноцелюлози, виготовлені з різних видів вихідних матеріалів (стебла очерету, солома пшениці, міскантус, конопля, кенаф) та екстраговані різними методами (окиснення у розчині ТЕМПО та гідролізу у сульфатній кислоті). На основі НЦ та її модифікацій в роботі були розроблені твердотільні сенсори вологості, а також гнучкі сенсори вологості в межах двох підходів: “drop-casting” та ‘‘self-standing’’. Типи розроблених сенсорів – резистивний та ємнісний. У першому розділі були досліджені конструкції та фізичні принципи роботи відомих насьогодні сенсорів вологості. Серед яких є ємнісні, резистивні, оптичні, термо-кондуктометричні, гравітаційні та психрометричні. Було встановлено, що сенсори для вимірювання вологості газів та рідин мають багато спільних конструктивних особливостей. Різноманіття твердотільних сенсорів вологості є найбільшим, вони працюють на різних фізичних явищах. Однак недоліком твердотільного типу сенсорів є громіздкість деяких конструкцій, нездатність таких сенсорів до деформації, подекуди висока вартість, непридатність до інтегрального виконання та неможливість використання в носимій електроніці. Перевагою гнучких сенсорів вологості є те, що вони здатні приймати форму поверхонь, на які їх потрібно закріпити. Це дуже зручно для застосувань з моніторингу людського здоров’я або фізичних та фізіологічних показників. Часто вживаними матеріалами для виготовлення гнучких підкладок сенсорів вологості на переважно є синтетичні полімери (PI, PA, PET, PEN, PDMS). Дані матеріали не розкладаються природнім шляхом, тому або накопичуються у вигляді сміття, або ж потребують утилізації. З точки зору екології, найперспективнішими матеріалами, на основі яких можливо створити гнучкі сенсори вологості є біорозкладні полімери (плівки на основі желатину, хітину, хітозану, полімолочної кислоти, наноцелюлози, тощо). З точки зору конструкції встановлено, що у якості гнучких сенсорів найкраще працюватимуть резистивні, ємнісні або деякі оптичні (оптоволоконні) прилади за рахунок простоти конструкції чутливих елементів та їх здатності до значної деформації без руйнування. У другому розділі проведено моделювання впливу конструктивних параметрів на характеристики резистивних сенсорів на основі зустрічно-штирьової гратки (ЗШГ) та ємнісних сенсорів на основі електродів у конфігурації розгорнутий конденсатор. Встановлено, що оптимальною для резистивних сенсорів на основі наноцелюлози є найменший розмір ЗШГ, який технологічно вдалося виготовити (з відстанню 0,4 мм між електродами) та товщиною вологочутливої плівки наноцелюлози 50 мкм. Для ємнісних сенсорів вологості на основі наноцелюлози встановлено, що найкращою є конфігурація з відстанню між електродами 0,1 мм та товщиною плівки НЦ 50 мкм. Також проведено моделювання процесу адсорбції на поверхні наноцелюлози. В результаті цього встановлено, що НЦ адсорбує вологу відповідно по механізму Ленгмюра, завдяки чому стало можливим моделювати відгук сенсора від зміни рівня відносної вологості повітря. Отримані результати моделювання дозволяють спрогнозувати параметри сенсорів резистивного та ємнісного типу на основі наноцелюлози, знаючи її провідність/діелектричну проникність, коли вона абсолютно суха та коли адсорбувала максимальну кількість вологи. Таким чином, можливо побудувати розподіл провідності або діелектричної проникності від відносної вологості та на основі даного розподілу змоделювати відгук сенсорів будь-якої конструкції. У третьому розділі досліджено статичні параметри (відгук, чутливість, гістерезис, повторюваність) та динамічні параметри (час відгуку та відновлення, коротко та довготривала стабільність) сенсорів відносної вологості в залежності від маси НЦ, вихідної сировини та методу її синтезу. Встановлено, що НЦ, отримана методом окиснення у розчині ТЕМПО, показує значно кращу чутливість як для резистивних сенсорів, так і для ємнісних незалежно від вихідного матеріалу. В межах кожної серії найкращі параметри демонстрували сенсори з найлегшими за масою плівками. При цьому НЦ, виготовлена методом кислотного гідролізу, показує значно кращі динамічні характеристика (час відгуку та відновлення, стабільність, повторюваність, реверсивність). Найвищу швидкодію в середині кожної серії показували найтонші плівки, а якщо брати за вихідним матеріалом, то сенсори, виготовлені із пшениці, були найшвидшими. У розділі чотири були досліджені гнучкі сенсори на підкладці полііміду, наноцелюлози, нанокомпозиту наноцелюлози з полівініловим спиртом (НЦ/ПВС) та на основі карбонізованої наноцелюлози. При цьому, у сенсорах на основі НЦ та нанокомпозитів НЦ/ПВС підкладка використовувалась у якості вологочутливого шару. Встановлено, що плівки НЦ мали низьку пластичність і були схильні до механічного руйнування. Для покращення механічних параметрів плівки наноцелюлози були розроблені композити ПВС/НЦ. Встановлено, що міцність таких плівок сильно падає, однак зростає пластичність. З точки зору електричних параметрів, найкращу чутливість та швидкодію показали сенсори на основі НЦ, отриманої з коноплі методом гідролізу, однак швидкодія таких сенсорів лишалася досить низькою. Для покращення швидкодії та інших динамічних параметрів був синтезований новий матеріал на основі наноцелюлози методом піролізу у вакуумі. В результаті даної операції отримано плівки, які при мінімальній зміні об’єму втрачали до 80% маси. На основі даного матеріалу вперше виготовлено сенсори вологості. Встановлено, що даний матеріал має значно вище значення швидкодії у порівнянні з плівкою наноцелюлози. У п’ятому розділі досліджено використання гнучких сенсорів вологості повітря на основі нанокомпозитів НЦ/ПВС для медичного застосування. Сенсори розташовувалися на відкритому повітрі, у дихальній трубці та у клапані дихальної маски. Встановлено, що як резистивні, так і ємнісні сенсори можливо використовувати для моніторингу дихання. Також чітко видно, що сенсори при розташуванні їх у клапані дихальної маски можуть розрізняти затримку (або зникнення) дихання та повідомити пацієнта (якщо це апное сну) або медичний персонал (якщо це якесь більш серйозне захворювання). Оптимальним матеріалом є нанокомпозити НЦ/ПВС, в той час як чиста НЦ та чистий ПВС демонструють гірші результати. Такі сенсори дозволяють чітко розрізняти частоту дихання, реєструвати затримку дихання та розрізняти силу подиху.
Опис
Ключові слова
наноцелюлоза, нанокристаліти, нанокомпозити, тонка плівка, тонка пластинка, срібло, сенсори вологості, гнучкі сенсори, розробка сенсорів, транзистор, діод, оптичні сенсори, чутливість, цифрова обробка сигналів, апроксимаційна модель, ультрафіолетове випромінювання, спектр пропускання, FTIR спектр, nanocellulose, nanocrystallites, nanocomposites, thin film, thin plate, silver, humidity sensors, flexible sensors, sensor designing, transistor, diode, optical sensors, sensitivity, digital signal processing, approximation model, ultraviolet radiation, transmission spectra, FTIR spectra
Бібліографічний опис
Лапшуда, В. А. Сенсори вологості на основі наноцелюлози для гнучкої електроніки : дис. … д-ра філософії : 153 Мікро- та наносистемна техніка / Лапшуда Владислав Анатолійович. – Київ, 2024. – 192 с.