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    TRILOS超高压纳米均质机在柔性气敏传感器的应用



    随着柔性电子器件日益快速的发展,纸基电子器件随之得到外界广泛关注。近年来,关于CNFs透明纸在电子器件制备中应用的相关报道在逐渐增加,大多数的研究主要集中在透明柔性电子器件,使其大量用于构建有机场发慑伌体管,有机发光二极管,导电纸,磁性纳米纸和锂电池的电箙材料等。但是普通纸张由于表面粗糙度大,使用前需进一步对其表面进行处理,使得制备过程过于繁琐,且不具备透明的特性。所以,我们改进工艺,使用TRILOS超高压纳米均质机来制备纳米纤维素,然后由其制备出纳米透明纸,印刷出气敏传感器。


    1.         TRILOS超高压纳米均质机介绍

    TRILOS超高压纳米均质机采用高压喷射原理,能够在短时间内产生巨大的剪切力,碰撞力,气穴力,从而将大量能量集中作用于物料,使物料的成分以完全的均质的状态存在,能够大幅提升效率。通过调控均质机来达到理想的粒径分布效果,且不会产生金属材料污染,可实现实验研发到大生产的线形放大,为高价值材料提供可靠的技术方案。

    TRILOS超高压纳米均质机不堵不漏,采用10寸工业触控屏,可实时监控压力曲线图,最高压力可达4000bar。

      

    图1 均质机原理图



    图2 各型号的TRILOS超高压纳米均质机


    2.         实验过程

    CNFs制备主要通过两步完成,第一步TEMPO氧化处理,第二步高压均质纳米化。

    1)  浆板浸泡打浆疏解,添加一定量的水,调节浆料浓度至1wt%,高速磁力搅拌30min,使植物纤维完全分散。

    2)  将配好的催化剂倒入已搅拌分散的浓浆中,并持续高速搅拌10min,使其充分混合均匀。

    3)  用胶头滴管逐滴滴加预先配好的次氯酸钠溶液。用0.1M氢氧化钠溶液将pH值调节在10左右,然后加入50ml的无水乙醇。

    4)  将所得的氧化纤维素使用蒸馏水多次洗涤,将浓度调整至0.05wt%备用。

    5)  0.05wt%的氧化纤维素浆经过TRILOS超高压纳米均质机以2000bar的压力进行均质处理,将CNFs从木材纤维细胞壁中分离出来。

    6)  由CNFs浆制备出纳米透明纸,以纳米透明纸为基底丝网印刷出纸基气敏传感器。




    图3 透明纸单个电箙实物图


    3.         结果分析

    图4分别为氧化度4和8,均质次数为4、8和12次,对应标记为CNFs-4-4,CNFs-4-8,CNFs-4-12,CNFs-8-4,CNFs-8-8和CNFs-8-12的纳米纤维素的AFM图像结果。如图所示,不论氧化度和均质次数,植物纤维均被纳米化得到纤维素纳米纤丝。当氧化度为4时,随着均质次数增加,制备所得纳米纤维素更易分散,且尺寸随之减小;当氧化度增大至8时,由于结合健减弱,分散性均良好,高均质次数则得到更细更短的纳米纤维素。除了CNFs-8-12,其他所有样品的宽度大约为4nm,长度均达到微米级。



    图4 氧化度4和8,均质次数为4、8和12次纳米纤维素的AFM图像分析结果


    将植物纤维进行高压均质,烘干成膜后,形成了厚度约为10um左右的透明膜,根据表1的力学性能测试结果,随着均质次数的增加,纳米纤维素的尺寸降低,导致抗张强度和弹性模量先增加后降低。


    表1 A4纸、硫酸纸和CNFs透明纸力学性能测试



    将样品做可见光透射率测试,结果如图5所示。由图可知,A4纸不具备光透过性,光透射率不到1%;对植物纤维特殊处理成硫酸纸后,相对光透射率对比A4纸有所增加,但仍然不到10%;均质次数都为8制备得纳米纤维素并制成的透明纸均具有高透光性。纳米纤维素制备纸张具备高透明度,其高光透射率的特性,拓展了其在电子器件领域中的应用。



    图5 A4纸、硫酸纸和CNFs透明纸光透射率测试结果


    AFM测量了A4纸,硫酸纸和CNFs-4-8透明纸的表面粗糙度,如图6所示。A4纸和硫酸纸的表面粗糙度较大,透明纸的表面粗糙度为纳米级,证明了用TRILOS超高压纳米均质机,将植物纤维纳米化后,制备的薄膜不仅具有透明的特性,还可以有效的降低表面粗糙度,这非常有利于其在印刷柔性电子器件领域的应用。



    图6 A4纸、硫酸纸和CNFs透明纸平滑度测试结果


    为研究不同基底所制备器件对气敏性能的影响,设计实验,分别以A4纸,硫酸纸,平板陶瓷基底和透明纸为基底,ZnO量子点/rGO为气敏材料,调制浆料,通过印刷的方式将同浓度复合材料涂布于不同基底电箙表面,制备出4种气敏传感器,并对气敏性能进行分析测试,结果如图7所示。可以看出,透明纸基气敏器件在所有丙酮气体浓度下均得到较好的气敏响应结果,且具备良好的线性关系;而用其他材质制备的器件,信号不稳定且较弱。证明了用TRILOS超高压纳米均质机制得的透明纸非常适用为柔性气敏传感器基底。



    图7 采用不同基底的ZnO量子点/rGO复合材料气敏传感器的气敏性能测试结果对比





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