Conductivity-Dependent应变响应的碳纳米管治疗细菌Nanocellulose

文摘

本文报告灵活的应变敏感性,导电,纳米纤维素制备的改性细菌纤维素的双壁碳纳米管(DWCNTs)和微碳纳米管(热合)。电导率取决于改性剂及其分散过程。样品的导电性得到细菌纤维素(BNC)薄膜改性DWCNT范围从0.034年代·厘米⁻¹0.39 S·厘米⁻¹与热合,BNC薄膜改性从0.12 S·厘米⁻¹1.6 S·厘米⁻¹。电阻与应变,应变机电响应监控应用中张力为了研究的敏感性nanocellulose修改。252被发现的最大应变系数最高的样本被MWCNT导电。已经观察到样品的灵敏度取决于改性纤维素的导电率。

1。介绍

最近,传感器基于纳米材料已经引起了相当大的关注由于其低功耗、高灵敏度和选择性,促使反应(1,2]。传统的传感器应用领域受到限制的刚性和脆弱。出于这个原因,开发灵活、环保的传感器材料已经收到了大量的关注(3]。与陶瓷和半导体材料相比,传感器是基于有机纳米材料获得了意义由于其诱人的属性(3]。据报道,这种材料可以获得纳米粒子与前途的电气和机械性能引入聚合物基质(4]。

在几个纳米结构,碳纳米管(碳纳米管)吸引了特殊利益,因为他们独特的电子、机械和热性能,扩大了应用领域的问纳电子学和生物医学设备(5]。最近,问的掺入聚合物研究加强聚合物的机械性能(4,5];结果表明,聚合物复合材料的弹性模量和极限强度增加即使掺入少量的问。

纤维素,最丰富的天然高分子,是一种取之不尽的原材料与迷人的结构和性能6]。纤维素的性质允许获得环保,可降解,生物相容性的产品。最近,研究纤维素相关证明其价值对于不同应用程序包括执行器和传感器。灵活的新类纤维素基电活性材料被任命为电活性纸(EAPap) [7]。它已经发现EAPap很低的耗电量8]。纤维素纤维EAPap进行的驱动原理,分析了在不同的研究工作7,8]。同时,研究纤维素的力学性能进行了研究和环境条件对这些属性的影响。在目前的工作,应变机电CNT-modified纤维素的反应特征。

纤维素可以来自各种来源,如植物、细菌,甚至动物(9]。最近,细菌nanocellulose (BNC)已经引起了人们的关注由于一些独家属性不提供的植物纤维素。由于纤维素是自然复合的一部分由木质素、果胶、纤维素,纤维素的分离和净化是很困难的。BNC,相反,属于初级代谢和特定产品很容易纯化(9]。此外,BNC由高度结晶nanofibril导致更高的机械强度相比,植物纤维素(10]。

在本文中,我们提出一个灵活的基于BNC纤维素和问导电纳米复合材料。双壁碳纳米管(DWCNTs)和微碳纳米管(热合)被用来修改BNC薄膜。不同的分散问解决方案不同的数量和浓度被用来修改纤维素为了找到最佳条件做适当的BNC的电影。DWCNT的strain-oriented机电性能,MWCNT纤维素被测量和特征。

2。实验

2.1。样品制备

这个工作是由BNC中使用Gluconacetobacter xylinum细菌在静态媒介。DWCNT(+ 90%的纯度,Nanocyl年代,比利时)和MWCNT(+ 95%纯度,Nanocyl年代,比利时)修改与羧基团体已被用来作为导电剂BNC的修改。问的色散进行了使用cetyltrimethylammonium溴化(CTAB)作为表面活性剂(丙烯酰胺,化验≥96%)。分散过程包括加热、搅拌,声波降解法,其次是离心去除undispersed问。分散DWCNT和MWCNT 1毫克/毫升的浓度和2毫克/毫升。另外,3×3厘米²BNC CNT薄膜都沉浸在分散体(15毫升的1毫克/毫升,15毫升的2 mg / mL,和30毫升的2毫克/毫升)24 - 72 h在轻微的颤抖。完成治疗的步骤后,所有样品都是仔细用去离子水洗涤,以去除CNT自由表面活性剂和残渣。薄膜干燥在聚四氟乙烯板之间的通风橱。图1显示了步骤准备BNC样本。

干BNC电影的总厚度是25 - 65µm以一个标准衡量千分尺±1µm准确性。扫描电子显微镜(SEM)已经被用于研究样品的表面形态(Leo超55 FEG SEM)。电导率的测量进行了通过使用一个四点探针系统(CMT-SR2000N,河中的小岛,韩国)。

2.2。机电特性的实验装置

的应变机电响应处理纤维素样品已经被英斯特朗材料检测仪器使用一个监控(5500系列)。恒张力可以应用这个乐器。英斯特朗仪器样品使用的是3厘米长,1厘米宽。电接触提供的铝箔,被迫英斯特朗夹的样品。一层绝缘的塑料是夹和铝箔。样品的电阻已经测量了沿同一方向作用力。拉伸试验的实验装置如图2。英斯特朗机样本放在,负载增加所需的水平,至少有两个小时在室温和湿度。数字万用表(安捷伦34401 A)被用来测量电阻变化对样品的扩展。

之前已经观察到的力学性能已改变nanocellulose样本在不同的环境条件(7]。另一方面,碳纳米管的电气和机械性能对温度很敏感。忽视环境影响治疗nanocellulose样品,所有样品都保存在实验室至少24小时的样品调整湿度和温度的实验室,和所有的测试都在同一个房间里执行。

2.3。实验的程序

在电阻计算分数增加(),之间的区别是短暂的电阻()和初始电阻(),一个恒力已经申请了至少3小时。计算分数增加阻力,阻力变化在第一次20分钟没有考虑,作为这一时期被认为是作为初始稳定时期应用负载后的样品。计算初始电阻是电阻的值测量20分钟后一旦负载应用。计算分数增量长度(),之间的区别是变形后试样的长度()和样品的初长度(),样品的初长度被认为是3毫米,小于原长度的部分样本内的夹不受负载的影响。

3所示。结果与讨论

3.1。导电BNC的形态

Nanocellulose样本修改问特点是灵活性与原生纤维素。横截面的BNC薄膜没有问的深层渗透(图3(一个))。小孔在本机BNC矩阵(图3 (b))防止问渗透到纤维素。结果,一个不对称的导电层形成表面的BNC薄膜。

据调查使用扫描电镜,热合BNC表面更均匀分布(数字3 (d)和4(一))相比DWCNT(数字3 (c)和4 (b)),这是与目视检查样本的结果一致(MWCNT的BNC电影表面改性是均匀黑色,而BNC薄膜的表面与DWCNT包含无色部分修改,图1)。MWCNT的观察点更好地分散在水中,可能是由于更高的CTAB重量比问MWCNT的比表面积(比表面积115米²/ g (11])相比DWCNT(比表面积> 500米²/ g)。

观察压力BNC样本的影响,4 N的张力已经应用在两个DWCNT对待BNC样本,MWCNT BNC样本三个小时。根据扫描电镜形态学的导电BNC样本,没有改变后应变(图的应用4)。

3.2。电导率测量

的导电性nanocellulose修改和DWCNT MWCNT的影响通过改变体积和分散体的浓度和浸泡时间增加。在最低的修改的样品浓度和体积,浸泡时间的增加没有给出任何重大影响的导电性BNC薄膜(图修改5(一个))。因此,可以得出这样的结论:饱和容量DWCNT的纤维素1毫克/毫升分散体系并不足以形成导电层使用体积小的色散(15毫升)。确实问浓度和体积增加,电导率上升明显与浸泡时间(图5(一个)),表明饱和容量的大幅度增加。

BNC薄膜的导电性增加了一个数量级改变改性剂时从DWCNT MWCNT(图5 (b))。这些结果可以解释为形成更均匀的层比DWCNT MWCNT BNC的表面。导率取得了最高的薄膜改性30毫升的2毫克/毫升解决方案:0.39 S·厘米⁻¹DWCNT和1.6 S·厘米⁻¹MWCNT,明显高于之前报道(12]。

3.3。机电响应

应变传感器可以操作作为传感材料的原则是紧张,材料的电阻变化的一个定义良好的方式。观察治疗BNC的应变敏感性,不同类型的样本处理不同浓度的DWCNT或MWCNT评估在一个固定的拉伸力(4 N)。我们测量的电阻值10分钟的间隔。已经观察到样品固定张力(图下不断延伸6)。

我们测试样品与不同浓度的改性剂和改性的不同导率介于0.05和0.395 S / S /厘米厘米。正如3.2节中所讨论的,对样品的导电性取决于治疗参数如改性剂浓度和扩散;BNC样品在这种情况下,准备在不同条件下使用。

衡量因素是参数用于定义一个传感器的灵敏度。它措施的比例相对机械应变电阻的变化ε相对长度变化,传感器(13]。

在这种情况下,敏感性因素(应变系数)可以被定义为

已经观察到的电导率对待BNC样本处理DWCNT增加,样品的应变敏感性也增加。图7表明治疗BNC样品电导率0.05 S /厘米应变系数低于0.395 S /厘米的电导率。一些报道声称,应变计的灵敏度与样品的电导率增加,除非样品的电导率达到一定水平(14]。导电性和应变系数之间的相关性可能取决于问网络的渗流阈值水平。可以推测,在达到渗流阈值,灵敏度与导电性不会改变。在这个工作中,渗流阈值水平没有达到我们可以观察连续变化的敏感性研究范围的电导率。

当MWCNT BNC样品已经测试,得到了相同的结果。比较数据7和8已经观察到,MWCNT纤维素治疗显示了相同类型的响应,DWCNT BNC治疗。最高衡量因素已经得到MWCNT对待BNC样品因为它的导电率最高。

图9显示了修改后的BNC的敏感性电影作为导电率的函数。的情节包含灵敏度值MWCNT浸渍样品和DWCNT浸渍样本。从图9,很明显,样品的灵敏度取决于样品的电导率。因为样品浸满MWCNT显示最高的电导率,他们表现出最高的灵敏度。

3.4。可重复性测试

如果输入信号测量和其他条件保持不变,每个测量的传感器提供了相同的反应,那么这种能力的传感器称为重复性。这个属性的可用性是至关重要的,确保传感器在很长一段时间,获得测量的可靠性。

任何样品的重复性取决于其弹性模量和塑料模。如果应用张力在样品的弹性极限强度,那么可以预计,当力将被删除,样品将会回到它原来的形状和不断给出同样的反应。人们已经发现,当问治疗已多次受到BNC样本4 N力,响应行为的样品没有改变在前20分钟;然而,一些变化观察从30分钟(16%)(图10)。这使得结果可重复的只有有限的扩展。这种类型的材料可以作为一次性(一次性)传感器或多用途传感器灵敏度很高不是必需的。

4所示。结论

导电细菌nanocellulose (BNC)电影是由治疗BNC双壁碳纳米管的分散体(DWCNTs)和微碳纳米管(热合)的存在cetyltrimethylammonium溴铵(CTAB)。已经观察到,改性剂的分散过程影响的导电性nanocellulose治疗。导电性增加当碳管作为改性剂。BNC的治疗获得的最高的电导率与DWCNT 0.39 S·厘米⁻¹MWCNT的治疗,获得最高的电导率是1.6 S·厘米⁻¹。

治疗的应变机电响应BNC电影了。MWCNT纤维素显示治疗敏感性高于DWCNT纤维素治疗。一个衡量因素252年获得最导电样品MWCNT对待。比较样品的应变敏感性不同的电导率,已经观察到高应变灵敏度与高导电性。

确认

克努特和爱丽丝•瓦伦堡基金会是感激地承认金融支持通过瓦伦堡木材科学中心。保罗Gatenholm教授(生物和化学工程系•瓦伦堡木材科学中心,和查尔莫斯理工大学)是感激地承认提供细菌纤维素样品。

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