MWCNT/Nafion/MWCNT复合材料的湿度传感性能研究

王延杰; 赵世界; 盛俊杰; 汝杰; 赵春; 李树勇

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为了满足工农业湿度检测的需求,开发新型湿度传感器至关重要。作为湿度传感器的关键部件,湿敏材料的选择直接影响着传感器的使用性能。离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal-composite,IPMC)可制成一种新型柔性传感器,在外界动态湿度作用下,离子聚合物内部的可移动离子将产生定向迁移,形成电势差,从而产生电信号。由于其出色的湿敏特性,IPMC传感器在环境湿度精密监测领域引起了越来越多的关注。但现有离子聚合物复合材料的电极层过于致密,导致复合材料芯层难以与外界环境迅速进行湿度交换;另外,电极层和芯层之间弱的粘附力,导致电极容易脱落。为了解决电极层过于致密的问题,本研究选用多壁碳纳米管(MWCNT)、聚偏氟乙烯(PVDF-HFP)和离子液体(ILs)浇铸具有微孔结构的复合电极层,以提高复合材料芯层与外界环境的湿度交换能力;同时在热压成型过程中,具有离子传输能力的粘结剂被使用在电极层和电解质芯层之间,以增强电极和芯层之间的结合强度。本工作采用溶液铸膜法制备了多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯/离子液体(MWCNT/PVDF-HFP/ILs)电极层和全氟磺酸-聚四氟乙烯/离子液体(Nafion/ILs)电解质层,并经叠层热压获得了具有湿敏特性的MWCNT/Nafion/MWCNT复合膜,借助扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安曲线(CV)以及电化学阻抗(EIS)等手段表征了复合膜的微观形貌和电化学特性,进一步研究了该复合膜在不同湿度环境下的湿度-电压响应特性、湿敏性能及湿敏机理。研究结果表明:当相对湿度介于0%RH~100%RH时,该湿度传感膜的最快响应时间和恢复时间分别为17 s和58 s,电响应的灵敏度为0.14 mV/%RH,响应速率高达0.277 mV/s。最后,本研究对湿度传感膜在呼吸监测、大坝渗水监测等场合的潜在应用进行了探讨。

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来源
《材料导报》 |2022年第20期|213-221|共9页
作者
王延杰; 赵世界; 盛俊杰; 汝杰; 赵春; 李树勇;
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作者单位

河海大学机电工程学院;

江苏省特种机器人技术重点实验室;

中国工程物理研究院;

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原文格式 PDF
正文语种 chi
中图分类非金属复合材料;
关键词
湿度传感; 多壁碳纳米管; 全氟磺酸树脂(Nafion); 离子液体;

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