Сенсори вологості на основі наноцелюлози для гнучкої електроніки
| dc.contributor.advisor | Коваль, Вікторія Михайлівна | |
| dc.contributor.author | Лапшуда, Владислав Анатолійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-03T09:33:01Z | |
| dc.date.available | 2024-06-03T09:33:01Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Lapshuda V. A. Humidity sensors based on nanocellulose for flexible electronics. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining of the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 153 – Micro- and nanosystem engineering (field of knowledge 15 – Automation and instrument engineering). - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2024. The work is devoted to the study of nanocellulose and its modifications for use as a humidity-sensitive layer in flexible sensors of relative air humidity. Scientific and applied research, highlighted in the dissertation, is focused on the practical study of the characteristics of flexible sensors of relative air humidity based on nanocellulose, composites based on nanocellulose and carbonized nanocellulose. Biodegradable materials are increasingly used in modern scientific and technical research of flexible sensors of relative air humidity. Sensors made based on biodegradable materials do not need to be disposed of at the end of their useful life. Such devices simply decompose in natural conditions with the participation of fungi and bacteria, without accumulating and polluting the environment. However, sensors based on such materials are not durable. On the other hand, there is a need for the development of cheap disposable sensors for several applications. For example, it can be in the medical field, sports, everyday life: for monitoring physical activity and/or rehabilitation of athletes, military personnel or people with disabilities (breathing monitoring, sweating registration, etc.). For research in this work, nanocellulose obtained from non-wood raw materials (namely from plants that are agricultural waste) was used. Use of non-wood raw materials which allows not to cut down trees to produce this material. At the same time, different types of nanocellulose made from different types of raw materials (cane stalks, wheat straw, miscanthus, hemp, kenaf) and extracted by different methods (oxidation in TEMPO solution and hydrolysis in sulfuric acid) were compared. Based on NC and its modifications, solidstate humidity sensors, as well as flexible humidity sensors within two approaches, drop-casting and ‘‘self-standing’’, were developed in the work. The type of developed sensors is resistive and capacitive. In the first chapter, the designs, and physical principles of operation of humidity sensors were investigated. Among which there are capacitive, resistive, optical, thermoconductometric, gravitational and psychrometric devices. It was established that sensors for measuring the humidity of gases and liquids have many common design features. The variety of solid-state humidity sensors is the largest, they work on different physical phenomena. However, the disadvantage of solid-state sensors is the bulkiness of some structures, the inability of such sensors to deform, sometimes high cost, unsuitability for integrated implementation, and the impossibility of use in wearable electronics. The advantage of flexible humidity sensors is that they are able to take the shape of the surfaces to which they need to be attached. This is very convenient for applications in monitoring human health or physical and physiological parameters. Oil based polymers (PI, PA, PET, PEN, PDMS) are often used for the production of flexible substrates for humidity sensors. These materials do not decompose in a natural way, so they either accumulate in the form of garbage, or need to be disposed of. From the point of view of ecology, the most promising materials based on which it is possible to create flexible humidity sensors are biodegradable polymers (films based on gelatin, chitin, chitosan, polylactic acid, nanocellulose, etc.). From the point of view of the design, it is established that resistive, capacitive or some optical (optical fiber) will work best as flexible device due to the simplicity of the design of sensitive elements and their ability to significant deformation without destruction. In the second section, the influence of design parameters on the characteristics of capacitive sensors based on interdigital electrode and capacitive sensors based on electrodes in the configuration of an expanded capacitor were modeled. It was found that the smallest size of the interdigital electrode that we could technologically produce (with 0.4 mm between the electrodes) and a humidity-sensitive film thickness of 50 μm is optimal for resistive sensors. For capacitive sensors, it was established that the best configuration is with a distance between electrodes of 0.1 mm and a film thickness of 50 μm. Modeling of the adsorption process was also carried out. As a result, it was established that NC adsorbs humidity according to the Langmuir isotherm. As a result, it became possible to simulate the response of the sensor to changes in the level of relative air humidity. The obtained simulation results allow predicting the parameters of resistive and capacitive sensors based on nanocellulose, knowing its conductivity/dielectric permeability when it is completely dry and when it has adsorbed the maximum amount of humidity. Thus, it is possible to construct a distribution of conductivity or dielectric constant from relative humidity and, based on this distribution, to model the response of sensors of any design. In the third chapter, the influence of the static parameters (response, sensitivity, hysteresis, repeatability) and dynamic parameters (response and recovery time, short-term and long-term stability) of relative humidity sensors depending on the mass of NC, raw materials and the method of its synthesis were investigated. Thus, it was established that the NC obtained by the method of oxidation in the TEMPO solution shows much better sensitivity for both resistive and capacitive sensors, regardless of the initial material. However, the best parameters were demonstrated by sensors with the lightest films. NC produced by the method of acid hydrolysis shows significantly better dynamic characteristics (device speed, stability, repeatability, reversibility, etc.). The thinnest films, made from wheat straw, provided the highest speed for obtained sensors. In chapter four, flexible sensors based on a PI substrate, an NC substrate, an NC/PVA nanocomposite substrate, and carbonized nanocellulose were investigated. It should be noted, sensors based on NCs and NC/PVA nanocomposites used a substrate as a humiditysensitive layer. Thus, it was established that the NC films had low plasticity and were prone to mechanical destruction. PVA/NC composites were developed to improve the mechanical parameters of the nanocellulose film. It was established that the strength of such films drops sharply, but plasticity increases. From the point of view of electrical parameters, sensors based on NC showed the best sensitivity, but the speed of such sensors remained quite low. To improve speed and other dynamic parameters, a new material based on nanocellulose was synthesized. The material was obtained by pyrolysis of nanocellulose films in a vacuum. As a result of this operation, it was observed the lost up to 80% of mass with a minimal change in volume. Based on this material, humidity sensors were manufactured for the first time. It was established that this material has a significantly higher speed of action compared to the nanocellulose film. In the fifth chapter, the application of flexible air humidity sensors based on nanocellulose and its modifications for medical applications was investigated. Sensors were situated in the open air, in the breathing tube and in the valve of the breathing mask. It has been established that both resistive and capacitive sensors can be used for breathing monitoring. It is also clearly visible that the sensors, when placed in the valve of the breathing mask, can distinguish the delay (or disappearance) of breathing and notify the patient (if it is sleep apnea) or the medical staff (if it is some more serious disease). The optimal composite materials is the composite NC/PVA, while pure NC and pure PVA show worse results. Such sensors allow to clearly distinguish the frequency of breaths, detect breath delays and distinguish the force of breath. | |
| dc.format.extent | 192 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67030 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | наноцелюлоза | |
| dc.subject | нанокристаліти | |
| dc.subject | нанокомпозити | |
| dc.subject | тонка плівка | |
| dc.subject | тонка пластинка | |
| dc.subject | срібло | |
| dc.subject | сенсори вологості | |
| dc.subject | гнучкі сенсори | |
| dc.subject | розробка сенсорів | |
| dc.subject | транзистор | |
| dc.subject | діод | |
| dc.subject | оптичні сенсори | |
| dc.subject | чутливість | |
| dc.subject | цифрова обробка сигналів | |
| dc.subject | апроксимаційна модель | |
| dc.subject | ультрафіолетове випромінювання | |
| dc.subject | спектр пропускання | |
| dc.subject | FTIR спектр | |
| dc.subject | nanocellulose | |
| dc.subject | nanocrystallites | |
| dc.subject | nanocomposites | |
| dc.subject | thin film | |
| dc.subject | thin plate | |
| dc.subject | silver | |
| dc.subject | humidity sensors | |
| dc.subject | flexible sensors | |
| dc.subject | sensor designing | |
| dc.subject | transistor | |
| dc.subject | diode | |
| dc.subject | optical sensors | |
| dc.subject | sensitivity | |
| dc.subject | digital signal processing | |
| dc.subject | approximation model | |
| dc.subject | ultraviolet radiation | |
| dc.subject | transmission spectra | |
| dc.subject | FTIR spectra | |
| dc.subject.udc | 538.9, 539.2, 539.3, 620.3 | |
| dc.title | Сенсори вологості на основі наноцелюлози для гнучкої електроніки | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: