细菌纤维素/二维纳米材料导电弹性气凝胶的构建与性能

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vvchan
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,可穿戴电子设备和人机交互蓬勃发展对柔性传感材料的需求不断扩大。导电弹性气凝胶由于具有导电性、高比表面积、良好的结构稳定性等特点,在柔性传感领域具有良好的应用潜力。生物质聚合物因成本低、易于获得、生态友好特性而在制造弹性气凝胶方面具有潜力。作为一种天然生物质,细菌纤维素(BC)具有可大规模生产、纯度高、结晶度高等优点,是制备气凝胶的优良前驱体。然而,纯BC基气凝胶和碳气凝胶都存在缺乏结构稳定性和抗疲劳性能的缺点。以石墨烯、MXene、蒙脱土(MMT)为代表的二维纳米材料具有独特的平面结构,具有超强的机械性能、良好的热力学稳定性和大比表面积等优点,被广泛用于弹性气凝胶的构建。本论文利用不同的二维纳米材料,结合细菌纤维素,利用定向冰模板的方法制备具有层状结构、力学性能与传感性能优异,并可用于压阻传感的弹性气凝胶。(1)采用TEMPO氧化的细菌纤维素(O-BC)辅助MXene/石墨烯构建稳定的碳气凝胶骨架,获得了抗疲劳性能与传感性能更优异的MXene/石墨烯/O-BC导电弹性气凝胶。该工作中,MXene作为高刚度的添加剂有助于获得更好的力学性能和抗疲劳性能,使获得的碳气凝胶具有优异的弹性和抗疲劳性能。该材料可以承受95%的极高压缩应变和50%应变下至少10,000次循环的长期压缩,能够实现高线性灵敏度、低检测极限和快速响应,且可组成柔性可穿戴传感器监测人体的生物信号。(2)以O-BC为原料,通过定向冰模板铸造方法构建了层状气凝胶骨架,通过加入高刚度和高导电性的MXene来提高气凝胶骨架的机械强度与导电性,使用甲基三氧甲基硅烷对气凝胶进行气相沉积来赋予气凝胶骨架疏水性,从而得到优异弹性的气凝胶O-BC/MXene。该气凝胶具有优异的可压缩性与抗疲劳性,能够对应力/应变信号实现准确稳定的电响应,具有极宽的应力检测范围(0-40 k Pa),并能够对人体的生物信号进行捕捉。(3)以O-BC、层状蒙脱土为原料,通过定向冰模板的铸造方法构建了层状的气凝胶骨架,MMT可克服O-BC骨架在高温碳化过程中的过度卷曲,得到的弹性碳气凝胶具有合理的波浪状弯曲的片层结构,表现出优异的可压缩性和抗疲劳性,一万次循环压缩(50%应变)后未出现明显的高度下降,应力保留率高达71.5%。O-BC/MMT碳气凝胶同样有着良好的电响应性能,能够准确稳定地对应力、应变、弯曲角度以及人体的生物信号进行响应。
其他文献
为了实现生物质资源的高值化利用,满足实际应用的需要,越来越多研究人员致力于木质生物质资源的全组分利用研究。部分脱除或完全保留木质生物质中的木质素组分,进而纳米化可以制备得到一种新型的纳米纤维素材料即含木质素的纳米纤维素。然而,制备含木质素纤维素纳米纤丝(Lignin-containing Cellulose Nano Fibrils,LCNFs)一般需要将木质纤维原料进行多步化学处理或常规化学制浆
学位
面对公共卫生安全和应急响应等社会需求,开发高效空气过滤等防护关键材料,具有重要的科学意义和应用价值。当前,纳米纤维在高效空气过滤领域的应用引起了广泛关注。但是,现有纳米纤维制备主要依赖于合成高分子的静电纺丝,但静电纺丝纤维制备工艺复杂、生产成本高和强度差等缺点限制了其推广应用。纳米纤维素来源于生物质高分子,具有原料丰富、机械性能好、比表面积大、生物可降解性以及稳定的化学性质等特点,在空气过滤领域前
学位
不可降解的石油基塑料给人类社会带来便利的同时,也给全球生物体和环境造成了严重的威胁。在此背景下,开发可持续、可降解的新型塑料替代材料成为了学术界和工业界的研究重点。尽管已经开发出一系列绿色环保的生物塑料,但由于生物塑料的生产制造成本高、产量小,仍然难以满足庞大的塑料制品需求。淀粉和纤维素等生物质资源来源广泛、产量丰富、价格低廉,同时具有良好的生物降解性,在塑料替代材料领域具有广泛的应用前景。然而由
学位
锌-空气电池(ZABs)利用环境中的氧气作为阴极活性物质,是一种低成本、安全、高能量密度的新能源设备/技术。然而,阴极氧还原(ORR)和析氧反应(OER)的缓慢动力学是制约其大规模应用的瓶颈。目前,关于ZABs的研究仍集中在ORR/OER双功能催化剂材料的结构设计和表面工程化,通过加速空气阴极在实际工况下的电化学反应动力学以提高ZABs的能量效率和循环寿命。尽管传统的贵金属(如Pt、Ir、Ru等)
学位
木聚糖作为一种储量极为丰富的半纤维素杂多糖,广泛存在于阔叶木和禾本科植物细胞次生壁中,起到分散和润滑纤维素原细纤维的作用。然而,与其丰富储量不相适应的是,绝大部分木聚糖都被作为初级燃料焚烧或农业副产品废弃,极少作为原料生产高附加值精细化学品,造成环境污染和资源浪费。木聚糖在原生结构下具有丰富的侧链糖基和乙酰取代基,这些结构被认为赋予了木聚糖原生的功能性。然而,在木聚糖提取时,尤其是最为常用的碱提取
学位
工业硫酸盐木质素主要来源于硫酸盐法制浆黑液,产量大、成本低,在木质素的开发利用中具有举足轻重的地位。尽管硫酸盐木质素富含芳基、酚羟基以及羧基等多种功能基团,具有良好的开发利用前景,但当前的工业应用仍以燃烧供热或发电为主。由于硫酸盐木质素结构复杂、分散性高,产品性能不稳定,限制了产品的应用价值。通过对木质素分级可以使不同木质素级分的多分散性降低、均一性提高,提升木质素产品的稳定性及利用价值。当前木质
学位
素数的形式及其分布问题是数论研究的一个重要的课题.1849年,Gauss经过大量的计算猜出π(x)的积分表达式,即著名的素数定理:π(x)~x/lnx,x→∞.该结论具有里程碑式的意义,为不少数论问题的研究提供了重要依据.筛法是筛选素数时的常用方法,其起源可追溯至古希腊的ératosthène,但是由于余项阶和参数选择问题使这一方法具有局限性,后来逐渐发展了组合筛法以及Selberg筛法,Ross
学位
无限维李代数因其在理论物理中所起的重要作用和与数论、组合数学等数学分支的密切联系而受到研究者的广泛关注.以一般结合代数为坐标环的矩阵李代数给出了无限维李代数的一系列重要的例子.以交换的Laurent多项式环和多重Laurent多项式环为坐标环的矩阵李超代数给出了无扭仿射和扩张仿射李代数无中心核的具体实现,它们在扩张仿射李代数的研究中起到重要的作用.以非交换的量子环面Cq为坐标环的矩阵李代数slN(
学位
非阿局部域上的动力系统这一领域的研究目标之一是描述定义在非阿赋值环上的1-Lipschitz函数及其在保持测度和遍历时的性质.这在计算机科学和密码学等学科中有着广泛的应用.Anashin等学者在Zp特别是Z2上对这类函数进行了研究.2012年,林东岱等学者将Anashin的部分结论推广到F2『T』上.本文延续林东岱等人的思路,将上述的结论部分推广到Fp『T』(p>2)上.主要结论包括:(1)推广了
学位
酚醛树脂胶粘剂因优异的防水性和突出的胶合强度被广泛应用于木材胶合加工行业。木质素是天然可再生资源,结构单元与苯酚类似,具有替代苯酚制备酚醛树脂胶粘剂的潜在能力,但木质素结构复杂、活性位点少且不均一性等缺点阻碍木质素基酚醛树脂胶粘剂的制备。本论文在优化木质素酚醛树脂胶粘剂制备工艺基础上,研究不同氧化剂对木质素活化改性效果以及合成60%木质素基酚醛树脂胶粘剂性能的影响,主要研究结果如下:(1)制备60
学位