【摘 要】
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随着人们生活水平的提高与科学技术的发展,传感器在很多领域得到了广泛应用。纤维素和木质素是林木生物质的重要组成部分,来源广、成本低、可再生、生物相容性好且对环境无害,在材料领域得到了广泛应用。本论文以林木生物质为原料,成功制备了具有响应迅速、滞后性低、稳定性好和响应信号强度高的纤维素基和木质素基电容式湿敏传感器材料,通过对电容信号响应与材料的分析,阐明了湿敏材料的化学结构与形成线性响应的相关性,为新
【基金项目】
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山东省重大科技创新工程项目(项目编号2019JZZY020223); 国家林业局科技发展中心项目杜仲胶高效连续提取分离技术(项目编号KJZXZH202007);
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随着人们生活水平的提高与科学技术的发展,传感器在很多领域得到了广泛应用。纤维素和木质素是林木生物质的重要组成部分,来源广、成本低、可再生、生物相容性好且对环境无害,在材料领域得到了广泛应用。本论文以林木生物质为原料,成功制备了具有响应迅速、滞后性低、稳定性好和响应信号强度高的纤维素基和木质素基电容式湿敏传感器材料,通过对电容信号响应与材料的分析,阐明了湿敏材料的化学结构与形成线性响应的相关性,为新型湿敏材料的制备提供了思路,研究结果为生物质的高值化利用提供新的方案。主要研究结论如下:(1)通过将高分子聚合物材料聚偏氟乙烯(PVDF,Polyvinylidene fluoride)基材与微晶纤维素(MCC,Microcrystalline cellulose)混合,再向混合液中添加羧甲基纤维素钠(CMC-Na,Carboxylmethyl Cellulose sodium)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS,N-Hydroxy succinimide)或丙烯酰胺(AM,Acrylamide),制备了不同种类的纤维素基湿敏复合材料。其中,添加CMC-Na的湿敏传感材料其响应具有信号突变现象,适用于开关电路设计。而添加NHS和AM的湿敏传感材料(MNP和MAP)具有高灵敏度、低湿滞、优良重复性和响应时间短等特性。在NHS添加比例100%、AM添加比例80%时性能最优,在相对湿度11%RH~97%RH范围内响应稳定性、重复性好。MNP100的吸湿响应时间约为50s、脱湿约为20s、湿滞约为4.25%RH;MAP80的吸湿响应时间约150s、脱湿响应时间约20s、湿滞约7.76%RH。(2)通过木质素和丙烯酰胺接枝共聚,制备了改性木质素湿敏膜材料(LAP)。在LAP的添加量为60%时湿敏材料在响应速度、滞后性、稳定性以及对湿度响应灵敏等方面性能达到最优,其吸湿响应时间约为70s,脱湿约为10s,湿滞约为3.52%RH。(3)将生物质基传感材料用于人体呼吸监测和土壤水分监测结果表明,所制备的湿敏材料能快速准确监测呼吸信号变化,对土壤水分含量的响应准确、信号强,所制备的材料响应迅速、滞后性低、稳定性好和信号强度高,在医学以及工农业生产领域具有广阔的应用前景。
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