【摘 要】
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大宗水果从产地运往市场需经过长途运输,在此过程中表皮脆嫩的水果（如猕猴桃、水蜜桃、芒果等）极易受到冲击、振动、摩擦等机械力作用而产生机械损伤。机械损伤会严重降低水果的品质和其适销性,最终造成巨大食品浪费和经济损失,于是对水果运输碰撞状态进行原位、实时监测具有重要意义。然而现有运输碰撞监测器件（“电子水果”、应力传感器）存在结构复杂、需电源供电、潜在环境污染等不足之处。因此,若能寻求一种简单高效、绿
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大宗水果从产地运往市场需经过长途运输,在此过程中表皮脆嫩的水果（如猕猴桃、水蜜桃、芒果等）极易受到冲击、振动、摩擦等机械力作用而产生机械损伤。机械损伤会严重降低水果的品质和其适销性,最终造成巨大食品浪费和经济损失,于是对水果运输碰撞状态进行原位、实时监测具有重要意义。然而现有运输碰撞监测器件（“电子水果”、应力传感器）存在结构复杂、需电源供电、潜在环境污染等不足之处。因此,若能寻求一种简单高效、绿色清洁的自供电器件以实现水果碰撞监测将是十分理想的。基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator,TENG）具有结构简单、灵敏度高等优点,尤其值得注意的是它能将环境中各种机械刺激直接转化为电信号,从而实现对机械状态的自供电实时监测。TENG的提出为水果运输状态监测和机械损伤评估提供了新思路。基于此,本文设计了一种环保无毒的天然多糖膜基摩擦纳米发电机（Natural polysaccharide film based triboelectric nanogenerator,NP-TENG）,采用微晶纤维素/壳聚糖复合膜（Microcrystalline/chitosan composite film,MCC/CS）和海藻酸钠膜（Sodium alginate film,SA）分别作为正负摩擦层,用于运输中水果碰撞情况的实时、原位、自供电监测和损伤评估。具体内容如下:1.优化了NP-TENG电输出性能。通过溶液浇铸法制备了具有不同表面粗糙度的多糖膜材料作为摩擦层,组装了一系列NP-TENG,比较其开路电压(Open-circuit voltage,VOC)和短路电流(Short-circuit current,ISC)输出性能。分析了摩擦层表面微结构对NP-TENG电输出性能的影响,结果表明优化后NP-TENG的VOC为20 V、ISC为2.0μA,电输出性能提升了4倍。2.探究了NP-TENG电输出特性。研究了结构参数（摩擦层间距）和振动环境参数（外力、振动频率）对NP-TENG输出电信号的影响。结果显示,TENG的电输出与摩擦层间距、外力、振动频率均呈正相关。当摩擦层间距为1 mm时,NP-TENG输出的电信号对外力具有优异的响应性（灵敏度为2.2 V/N）,峰峰值电压(Peak-to-peak voltage,VPP)与外力的线性拟合效果最好（R~2=0.9877）。3.测试了NP-TENG的自供电性能。结果表明NP-TENG的匹配电阻为12 MΩ,最大输出功率密度可达9.6 m W/m~2,并且能在40 s内给电容器（C=4.7μF）充电。当外力分别为3 N、7 N和13 N时,NP-TENG可以分别直接点亮2个、5个和9个LED灯（0.04 W）,证明NP-TENG对外力有优良的响应性和输出稳定性,可以通过点亮的LED数量来指示外力大小。4.验证了NP-TENG监测水果运输碰撞状态的可行性。以猕猴桃为研究案例,将NP-TENG分别安装在猕猴桃运输包装的侧壁、底部,通过调整汽车运输振动台的振动参数模拟实际运输工况,监测NP-TENG电信号对猕猴桃碰撞状态的响应。结果表明,NP-TENG可灵敏响应振动环境的变化,能实时监测匀速和变速过程中猕猴桃在水平和垂直方向的碰撞状态。同时,观测了不同振动条件下猕猴桃的机械损伤情况,分析了NP-TENG电输出与猕猴桃机械损伤程度的对应关系,证实了NP-TENG具有预估水果运输后机械损伤程度的潜力。综上,本文为设计智能食品包装系统以减少水果在采后供应链中的损失提供了一种潜在的实用方案。
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