聚乙二醇/纤维素纳米晶体复合液晶薄膜微观结构及湿度响应行为

【目的】探索聚乙二醇(PEG)对纤维素纳米晶体(CNC)液晶薄膜湿度响应的影响,阐明其响应机制,旨在为开发低成本、可重复使用和高灵敏度的PEG/CNC复合薄膜湿度传感器提供理论基础。【方法】将CNC与PEG共组装,制备了一种具有湿度响应性能的虹彩色手性向列相光子液晶薄膜,系统考察了PEG质量分数对液晶薄膜的微观结构、显色、力学性能及湿度响应的影响,在此基础上,研究了PEG/CNC复合液晶薄膜在不同湿度条件下的响应循环性能。【结果】对于纯CNC体系,CNC质量分数由3%增加到7%,CNC液晶薄膜的螺距减小,最大反射光波长由596.5 nm蓝移至511.0 nm;对于添加PEG的CNC体系,随着PEG质量分数的增加,PEG/CNC复合液晶薄膜的螺距由394.0 nm减小到244.0 nm,最大反射光波长由613.5 nm蓝移至350.5 nm,韧性先提升后下降,PEG质量分数为5%时为最佳,断裂能为31.9 J·m^(-2),较纯CNC薄膜提升了138%;液晶薄膜经过5次吸湿-解湿,表现出良好的湿度响应重复性,平衡波长的变化率小于0.6%。【结论】制备了一种对湿度具有敏感响应的虹彩色光子PEG/CNC复合液晶薄膜,PEG可以调控复合薄膜螺距,起到调节结构色的作用。

湿度响应型强韧纤维素纳米晶体结构色薄膜的制备与性能

纤维素纳米晶体(CNC)是纤维素的衍生物,具有纳米材料特性和手性光学特性。为了提高CNC薄膜的力学性能和湿度响应,本研究以多羟基结构的D-木糖和木糖醇为增塑剂和湿敏剂,与CNC悬浮液共混,通过蒸发诱导自组装,制备可湿度响应的强韧CNC复合膜。结果表明:D-木糖和木糖醇添加量为45%的复合膜,其断裂伸长率分别为12.6%和19.15%,是CNC膜的14.8倍和22.5倍;拉伸强度分别增大至86.58MPa和145.9MPa,是CNC膜的1.3倍和2.3倍;随着D-木糖和木糖醇含量的增加,复合膜的结构色逐渐红移,反射波长增大;添加木糖醇的CNC/X薄膜的湿度响应反射波长最大,响应灵敏性最佳。因此,CNC结构色薄膜在智能响应、传感检测等方面具有巨大的应用潜力。

纤维素基湿度响应形状记忆材料的研究进展

纤维素制备的湿度响应形状记忆智能材料在湿度传感器、智能穿戴组件、医用植入材料、柔性电子设备等领域具有重要的应用前景。本文综述了纤维素基湿度响应形状记忆材料的形变机理及研究现状,并提出了目前研究面临的问题及材料性能的优化策略。最后,展望了纤维素形状记忆材料未来的发展方向,为后续针对性地精准构筑高湿度敏感性、快速响应、形变稳定的全生物降解型纤维素基形状记忆材料提供借鉴。

基于气溶胶喷射打印技术的可编程湿度响应执行器的设计

以氧化石墨烯(GO)纳米片和气溶胶喷射打印技术(AJP)制成三维褶皱结构,在真空辅助抽滤制备的GO薄膜上打印GO墨水,调节打印方向来控制薄膜的弯曲方向,以实现基于GO的湿度响应执行器的可编程性。通过设计实现了湿度响应执行器的复杂变形并应用于仿生领域。

纤维素基湿度响应驱动器的研究进展

“碳中和”驱动的能源经济时代对绿色智能材料提出了重大需求。湿度响应驱动器作为新一代能源转换技术,能够实现高效环保的驱动行为。纤维素来源丰富、降解性好、吸湿性强且具有灵活的自组装行为,在湿度响应驱动器领域表现出重要的应用潜力。通过合理的成分匹配和科学的结构设计,研究人员制备了多种灵敏、稳定的纤维素基湿度响应驱动器。从湿度响应驱动器的分类出发,系统地概括了纤维素在湿度响应驱动器方面的优势,详细综述了近年来纤维素基湿度响应驱动器的研究进展。

基于粗骨料多孔界面的再生混凝土内部相对湿度响应机理试验研究

再生混凝土内部湿度场的变化会对结构的耐久性造成影响。文章基于再生粗骨料界面的多孔特性,对比研究100%取代率下再生混凝土和普通混凝土在不同温度、距离表层不同深度及有、无荷载作用下的内部相对湿度的响应规律及响应机理。结果表明:再生混凝土内部的相对湿度响应速率快于普通混凝土,距离再生混凝土表层越近,相对湿度响应速率越快,且随着温度的增加而增加;弯曲荷载作用对再生混凝土和普通混凝土的相对湿度响应速率均具有促进作用,且对再生混凝土的影响更为显著;对于再生混凝土内部相对湿度滞后上升现象,提出"再生粗骨料分区-界面热湿传递模型",分析相对湿度滞后上升的机理;采用多元非线性曲线分段拟合的方法,建立再生混凝土内外环境相对湿度响应计算模型。

掺粉煤灰再生混凝土反向湿度响应规律与预测模型研究

在模拟人工气候环境条件下,开展了再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量对再生混凝土力学性能及其在干燥过程中反向湿度响应的影响研究。基于传质学的相关理论,提出了粉煤灰再生混凝土反向湿度响应的预测模型并验证了其可行性。试验结果表明:混凝土28 d抗压强度随着再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量的增大均呈现先增大后减小的趋势;粉煤灰掺量一定时,再生粗骨料取代率为25%的混凝土抗压强度达到最大;再生粗骨料取代率一定时,粉煤灰掺量(质量分数)为10%的抗压强度最大;在同一反向湿度响应时刻,再生粗骨料取代率为25%时混凝土反向湿度响应速率最低,取代率为0%,50%,75%,100%的混凝土湿度响应速率依次增大;粉煤灰掺量为10%的混凝土反向湿度响应速率最低,掺量为0%,20%和30%的湿度响应速率依次增大;在反向湿度响应的早期,2种影响因素对混凝土的反向响应速率影响更大;随着湿度响应的进行,影响逐渐减小,且随着粉煤灰掺量的增大,不同时间段的反向湿度响应速率差距逐渐增大。

二氧化钛陶瓷的湿度响应

本文介绍了用锁相放大器来测量材料的电导、损耗、介电常数的实部和虚部的方法,同时介绍了TiO_2陶瓷的这些特性参数和湿度的关系,以及表面处理对这湿度响应特性的影响.实验结果指明:1)介电常数的虚部在金红石的湿度响应过程中起着关键性作用;2)随着工作频率的增加,TiO_2陶瓷的最低可测湿度将变大,也即其绝对灵敏度将降低;3)这个最低可测湿度正好是介电常数的实部和虚部的湿度响应曲线的交点;4)氯铂酸和盐酸的表面处理可改善TiO_2陶瓷湿度传感器的绝对灵敏度.本文提出的“水蒸汽分子薄膜-TiO_2陶瓷”模型能很好地解释文中的实验结果,这说明TiO_2陶瓷表面吸附的水蒸汽分子在其湿度响应过程中扮演了主要的角色.

恒定气候环境下表面裂缝对混凝土内部湿度响应的影响

为了研究开裂混凝土内部微环境与外部环境的湿度响应关系,通过人工模拟恒定气候环境,开展了不同裂缝工况下混凝土内部湿度响应试验,并考虑了不同水灰比和不同粉煤灰掺量的影响;提出了考虑表面裂缝影响的混凝土等效湿气扩散系数计算公式,建立了恒定气候环境下带表面裂缝混凝土内部湿度响应预测模型,并验证了模型的可行性。结果表明:有裂缝混凝土内部湿度响应速率高于无裂缝混凝土,在裂缝工况下,混凝土湿度响应速率随裂缝宽度的增加变化不明显,随裂缝深度的增加呈线性增大;有裂缝混凝土内部湿度响应速率随水灰比的增大而增大,无粉煤灰的普通混凝土试件内部湿度响应速率依次大于30%和15%粉煤灰掺量(质量分数)试件;裂缝在不同水灰比及不同粉煤灰掺量下对混凝土内部湿度响应的影响程度有所不同。

纳米纤维素基湿度响应智能器件的研究进展

纳米纤维素来源广泛、绿色可再生,作为纤维素衍生材料,由于其特殊的结构特性,使其具有高机械强度、高结晶度、大比表面积等特点。基于纳米纤维素的湿度响应智能器件因其丰富的亲水基团(例如羟基和羧基)而显示出出色的响应性能,因此纳米纤维素可以作为一种湿度敏感材料来制备高性能湿度响应智能器件。本文介绍了纳米纤维素的分类、来源及湿度响应智能器件的分类及响应原理,重点阐述了不同纳米纤维素在湿度响应智能器件方面的制备及应用,总结了不同类型纳米纤维素与导电材料复合的湿度响应智能器件的性能及优缺点,最后对纳米纤维素基湿度响应智能器件的研究应用存在的问题与挑战进行归纳总结,以期为纳米纤维素基复合材料在湿度响应智能器件中的发展提供理论支持。

温度调控的动态湿度响应褶皱图案

本工作利用光响应温敏聚合物构筑了温控湿度响应褶皱图案,并探索其响应机制与应用.将1-乙烯基-3-蒽甲基氯化咪唑鎓(IMAN)、 N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)三元共聚物P(IMAN-co-NIPAM-co-OEGMA)作为表层,与聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底形成双层褶皱体系.蒽基团的光二聚交联能够使体系区域选择性起皱,含NIPAM结构的聚合物链则赋予其温度控制的湿度响应性.在室温、加湿条件下,该褶皱图案消失,其响应机制是聚合物吸湿过程中的模量降低和应力松弛;而在较高温度下,褶皱图案无法由湿度擦除,这是由于顶层聚合物链疏水性增强所导致的.这种同时具有光敏性与温度控制的湿度响应性褶皱图案,在湿度传感、智能显示、智能窗户等领域具有潜在的应用前景.

湿度响应致动器的研究进展和展望

本文总结了近几年湿度响应致动器的研究进展,从湿度响应致动器分类和驱动原理出发,主要讨论了响应性材料和致动器结构设计,对湿度响应材料目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结,旨在为具有新颖功能的智能微型致动器提供新的设计思路。多刺激响应、可编程,多功能和驱动-传感-控制一体化等多学科交叉研究方向将是未来湿度响应致动器研究新的突破点。

基于光纤湿度传感器的物理模型材料温湿度耦合研究

为了获得矿山开采物理模型的湿度,研制出一种采用聚酰亚胺薄膜材料涂敷的光纤布拉格(Bragg)光栅湿度传感器。提出了聚酰亚胺溶液与光纤Bragg光栅的耦合方法,采用提拉法涂敷制作湿度监测的光纤Bragg湿度传感器(PFBG),进行湿度范围20%~90%RH的标定。物理模型材料在环境温度35℃,湿度35%~65%条件下的试验,得出了增湿和降湿过程中内部湿度达到相对平衡的稳态时间,以及引起的温度变化规律。试验表明,增湿过程,模型内部温度和湿度达到稳态的时间相近;降湿过程,模型内部湿度达到稳态的时间是温度达到稳态时间的2.5倍。在模型内外湿度差相同情况下,模型内部增湿响应速率是降湿速率3倍;外界湿度变化30%RH,模型内部温度变化2.3℃.其研究成果有助于认识物理相似模型干燥过程和确定干燥时间。

双螺旋结构羊毛纱线人工肌肉构建及湿响应智能纺织品应用

为解决纤维基人工肌肉在智能纺织品实际应用中的障碍,针对目前纤维基人工肌肉存在刺激条件苛刻、化学毒性、材料和制备成本高等问题,探讨具有良好亲肤性的羊毛纱线人工肌肉的纺制、性能及应用。通过对天然羊毛纤维加捻,将加捻后的纤维对折形成自平衡的双螺旋结构,然后采用氧等离子体进一步清洁和激活双螺旋结构表面,并进一步制备机织物人工肌肉驱动器。通过扫描电镜、拉伸强力测试仪、高速摄像机等表征分析手段,探讨羊毛纱线人工肌肉的致动性能与影响因素。结果显示:氧等离子体刻蚀后的羊毛纱线人工肌肉具有对干湿状态的快速响应和可逆的扭转变形,其扭转角度可达373(°)/cm;且展现出优异的循环驱动性能,织物驱动器在水雾刺激下具有良好的二维卷曲致动性能,为湿响应智能纺织品的开发提供了新的策略。

掺粉煤灰再生混凝土吸湿过程与预测模型研究

开展了再生粗骨料取代率、粉煤灰掺量和再生粗骨料初始含水率对再生混凝土吸湿过程影响的试验研究.结果表明:再生粗骨料取代率为25%的混凝土毛细吸水系数和湿度响应速率均为最小,取代率为0%、50%、75%、100%的混凝土毛细吸水系数和湿度响应速率依次增大;粉煤灰掺量为10%的混凝土毛细吸水系数和湿度响应速率均为最小,掺量为0%、20%、30%的混凝土毛细吸水系数和湿度响应速率依次增大;混凝土的毛细吸水系数和湿度响应速率均随再生粗骨料初始含水率的增大而增大;在湿度响应过程的早期,3种影响因素对混凝土湿度响应的影响更大,随着湿度响应的进行,该影响逐渐减小,且随着粉煤灰掺量和再生粗骨料初始含水率的增大,不同时段的混凝土湿度响应速率差距增大.基于混凝土传质过程的基本理论,利用试验数据计算出不同试验条件下再生混凝土的湿气扩散系数,进而建立了再生混凝土湿度响应的预测模型.

聚偏氟乙烯改性氧化石墨烯智能柔性膜的湿电性能研究

石墨烯在湿气产电、水蒸发诱导产电、湿气响应驱动器等领域显示出强大的应用潜力,强化石墨烯基材料的湿电性能具有重要的现实意义。将一定量的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoried,PVDF)引入到氧化石墨烯(graphene oxide,GO)薄膜中,在维生素C存在时,促使成膜过程中GO发生部分还原,最终形成一种均匀分散的PVDF复合膜。红外谱图显示,复合膜具有GO和PVDF的双重特征;扫描电子显微镜扫描结果表明,PVDF在GO内部呈现树叶状分布,提高了膜的稳定性;X射线衍射采集数据表明了GO存在部分还原现象;湿气响应实验表明,得到的复合材料的端电压和端电阻随湿度变化呈现规律性变化,具有很好的响应性能,为智能材料的研发奠定了基础。

壳聚糖/聚丙烯酸多层膜动态微孔结构的构建及应用

传统多层膜包载疏水药物通常涉及合成并且步骤繁琐,因此,有必要开发一种快速、简单的负载疏水性药物的方法。采用层层自组装方法构建壳聚糖/聚丙烯酸(CS/PAA)n多层膜,并用石英晶体微天平(QCM)成功跟踪(CS/PAA)n多层膜的组装。扫描电镜(SEM)结果显示经过酸处理多层膜形成孔洞结构,在100%相对湿度下(CS/PAA)n多层膜自发愈合。利用毛细作用将疏水性药物四环素负载到多孔膜内,在100%相对湿度条件下对微孔进行封闭,药物分子被包裹在膜内,实现了疏水性药物的大量负载。将载药多层膜在体外进行药物释放模拟,释放时间超过400 h,实现了药物的长效缓释。最后将载药多层膜进行了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌实验,显示了载药多层膜良好的长效抗菌性能。

基于PSSNa的平面侧栅型氧化物双电层薄膜晶体管

双电层薄膜晶体管(EDLTs)凭借其低电压、多栅调控以及对神经突触的模拟而备受关注。为了实现一种基于聚电解质的新型平面侧栅结构的EDLTs,采用磁控溅射制备的氧化铟镓锌(IGZO)沟道和氧化铟锌(IZO)电极,试验了三种不同的聚电解质作为栅介质。发现聚苯乙烯磺酸钠(PSSNa)可以作为栅介质材料实现器件的良好工作。由于其低频时高达2.9μF/cm^(2)的双电层电容,使器件的工作电压可以控制在1 V以内,迁移率为0.23 cm^(2)/(V·s),开关比为4.6×10^(3)。而壳聚糖和全氟磺酸树脂(Nafion)则是受到了本身离子含量低以及侧栅控制能力弱的制约。进一步研究PSSNa-EDLTs器件的湿度响应表明,其转移特性曲线随着相对湿度的上升表现出有规律的变化,且该规律与离子栅介质中的水分子含量直接相关。本文的结果为后续平面侧栅器件的优化提供了依据,且平面侧栅PSSNa-EDLTs器件在相关传感方面具备潜力。

具有多重响应形状记忆和自修复两性离子聚合物的制备研究

以磺酸甜菜碱(SBMA)和2,3-二羟基甲基丙烯酸丙酯(GMMA)为共聚单体、硼酸为交联剂通过自由基聚合制备了一种两性离子聚合物,该聚合物表现出良好的温度、湿度多重响应形状记忆性能。氯化钠与磺酸甜菜碱之间静电屏蔽作用,降低形状记忆转变温度,使形变行为满足不同环境要求。动态硼酯键和可逆离子静电作用赋予了材料优异的自修复功能。本研究模拟两性离子聚合物作为伤口敷料通过湿度响应形状记忆行为实现对伤口位置紧密贴合的过程,为设计新型功能性伤口敷料提供新方法。