木质素基电阻式传感器的构建及其应用研究

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柔性、可拉伸和可穿戴功能化的电子产品正逐步地进入人们的日常生活,因其舒适性、远程操作和实时监测等功能,在疾病诊断、个人健康和运动监测等方面有极大的应用前景。柔性传感器作为可穿戴电子产品的关键部件,受到越来越多的研究关注。木质素是一种绿色环保、储量丰富和价格低廉的生物质材料,分子结构上含有大量的苯环,含碳量丰富,是一种理想的碳前驱体。本文旨在以木质素为原料,首先采用高温碳化技术制备具有良好导电性且化学性质稳定的碳化木质素,再将碳化木质素作为导电填料应用于传感器,并探究了传感器的性能和机理。主要研究结果如下:(1)碳化木质素的制备及其性能的研究。以木质素为原料,通过高温碳化、球磨和筛选,制备了导电性良好且粒径均一的碳化木质素颗粒。随着碳化温度的升高,碳化木质素的石墨化程度增加,导电性也增加。分析结果,碳化温度为900℃时,碳化木质素的导电性最好,电导率达到102.92S/m。(2)碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜的制备及其湿度敏感的研究。通过定向液体自组装的方法制备了碳化木质素/海藻酸钠复合薄膜,并探究了其湿度传感性能。CL/SA-3复合薄膜具有优异的导电性(电导率达到53.82S/m)、超高响应性(97%RH,502895.40%)、低滞后性和稳定性(30天)等优点。与此同时,作为湿度传感器CL/SA复合薄膜附着于人体皮肤上,可以精确地监测人体呼吸频率。(3)碳化木质素/纤维素导电水凝胶的制备及其应变传感的研究。通过共混法制备了CL/MCC导电水凝胶,并探究了其应变传感性能。CL/MCC导电水凝胶传感器具有良好的力学性能(压缩应变量为80%,韧性达到1.562MJ/m~3)、高灵敏性(50-70%,GF为23.060)和稳定性(满足100次循环)等优点。此外,作为应变传感器CL/MCC导电水凝胶可附着于人体皮肤,进行监测手指弯曲、写字、肘关节弯曲和发声等人体活动。综上所述,通过高温碳化技术制备了具有良好导电性的碳化木质素。以碳化木质素为导电颗粒,分别制备了碳化木质素/海藻酸钠湿度传感器和碳化木质素/纤维素水凝胶应变传感器,探究并阐明了两种传感器的传感性能和机理,表明了碳化木质素是一种优异的导电物质,为木质素高值化利用提供了理论和应用研究基础。
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