Сенсори вигину на основі наноцелюлозовмісних композитів: вплив конфігурації тензорезистора

Автор(и)

  • Арсеній Олександрович Найдьонов Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0003-2410-1693
  • Вікторія Михайлівна Коваль Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-3898-9163
  • Михайло Григорович Душейко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0003-3476-4220
  • Валерій Анатолійович Барбаш Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0002-7933-6038
  • Ольга Василівна Ященко Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0003-3716-8707

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347023090042

Ключові слова:

сенсор вигину, конфігурація датчика, наноцелюлоза, полівініловий спирт, біорозкладний матеріал, носимі датчики

Анотація

Стаття присвячена дослідженню впливу конфігурації тензочутливого елементу на характеристики сенсорів вигину, виготовлених на основі композитів наноцелюлози (НЦ) та полівінілового спирту (ПВС). Для цього суспензію НЦ екстраговано в процесі окиснення органосольвентної очеретяної целюлози в середовищі реагента 2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу (ТЕМПО). Композитні матеріали на основі наноцелюлози отримані шляхом змішування суспензії НЦ і водного розчину ПВС з наступним вакуумуванням. Виготовлення плівок відбувалось шляхом виливання суміші у чашки Петрі та їх сушіння в термокамері. Для задання різної конфігурації тензорезисторам (U-, П-, UU- та ПП-виду) виготовлені технологічні маски з магнітного матеріалу за допомогою фотохімічного травлення. Металевий тензочутливий елемент (Ti–Ni) осаджено на поверхню плівок методом реактивного магнетронного розпилення в середовищі аргону. Морфологія поверхні різних підкладок вивчалася за допомогою атомно-силової мікроскопії (AСM). В роботі вимірювались тензочутливі характеристики сенсорів вигину, на основі яких розраховані коефіцієнти тензочутливості, реверсивності та часового дрейфу. Встановлено, що максимальне значення тензочутливості (16,19) має місце для сенсорів на основі композиту НЦ–ПВС з конфігурацією П-типу. При цьому найкраща реверсивність (0,09%) спостерігалась для сенсорів з конфігурацією чутливого елементу U-типу. Отримані результати дослідження вказують на потенціал використання композитів наноцелюлози та ПВС для розробки еластичних сенсорів вигину в носимій електроніці.

Посилання

Z. Hong et al., “Welded carbon nanotube–graphene hybrids with tunable strain sensing behavior for wide-range bio-signal monitoring,” Polymers, vol. 16, no. 2, p. 238, 2024, doi: https://doi.org/10.3390/polym16020238.

A. Javaid et al., “Paper-based wearable ultra-sensitive strain sensors for fitness monitoring,” Flex. Print. Electron., vol. 8, no. 115019, 2023, doi: https://doi.org/10.1088/2058-8585/acc4d7.

H. M. Dewey, A. Lamb, J. Budhathoki-Uprety, “Recent advances on applications of single-walled carbon nanotubes as cutting-edge optical nanosensors for biosensing technologies,” Nanoscale, 2024, doi: https://doi.org/10.1039/D4NR01892C.

X. Wang et al., “A highly stretchable carbon nanotubes/thermoplastic polyurethane fiber-shaped strain sensor with porous structure for human motion monitoring,” Compos. Sci. Technol., vol. 168, pp. 126–132, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2018.09.006.

A. Ciampaglia, R. Ciardiello, F. Cesano, G. Belingardi, V. Brunella, “Multifunctional material design for strain sensing: Carbon black effect on mechanical and electrical properties of polyamides,” Compos. Struct., vol. 304, p. 116373, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116373.

X. Zhu, T. Cui, F. Su, B. He, “Robust polyethylene sensor complex for multi-dimensional monitoring,” Chem. Eng. J., vol. 463, p. 142407, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142407.

Y. Liu, H. Zheng, M. Liu, “High performance strain sensors based on chitosan/carbon black composite sponges,” Mater. Des., vol. 141, pp. 276–285, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.12.046.

V. Lapshuda, V. Koval, V. Barbash, M. Dusheiko, O. Yashchenko, S. Malyuta, “Flexible humidity sensors based on nanocellulose,” in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2022, pp. 208–212, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927092.

Z. Candan et al., “Nanocellulose: Sustainable biomaterial for developing novel adhesives and composites,” in Industrial Applications of Nanocellulose and Its Nanocomposites, Elsevier, 2022, pp. 49–137.

V. Barbash, O. Yaschenko, “Preparation, properties and use of nanocellulose from non-wood plant materials,” in Novel Nanomaterials, London: IntechOpen, 2021.

V. Koval, V. Barbash, M. Dusheyko, V. Lapshuda, O. Yashchenko, A. Naidonov, “Nickel-based piezoresistive sensors obtained on flexible nanocellulose substrate,” in 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 2021, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/NAP51885.2021.9568610.

Y. Chen et al., “Recent progress on nanocellulose aerogels: preparation, modification, composite fabrication, applications,” Adv. Mater., vol. 33, no. 11, 2021, doi: https://doi.org/10.1002/adma.202005569.

В. А. Лапшуда, В. М. Коваль, М. Г. Душейко, В. А. Барбаш, О. В. Ященко, С. В. Малюта, “Емкостные и резистивные сенсоры влажности на основе гибкой пленки наноцеллюлозы для носимой электроники,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 65, no. 11, pp. 700–714, 2022, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347022120019.

S. Kumar et al., “Contemporary nanocellulose-composites: A new paradigm for sensing applications,” Carbohydr. Polym., vol. 298, p. 120052, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120052.

P.-L. Schaefer, G. Chagnon, A. Moreau-Gaudry, “Geometry-based model for U-shaped strain gauges on medical needles,” in 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2018, pp. 4269–4272, doi: https://doi.org/10.1109/EMBC.2018.8513310.

H. Bai, Y. Li, S. Zhang, P. Ma, W. Dong, “Photo-crosslinkable poly (vinyl alcohol)/nanocrystalline cellulose composites with controllable performance and exceptional water vapor barrier property for packaging application,” Cellulose, vol. 29, no. 14, pp. 7721–7734, 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s10570-022-04760-x.

A. Naidonov, V. Koval, V. Barbash, M. Dusheiko, O. Yashchenko, O. Yakymenko, “Nanocellulose-based biodegradable bend sensors,” in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2022, pp. 292–297, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927070.

J. Zhou et al., “Highly sensitive and stretchable strain sensors based on serpentine-shaped composite films for flexible electronic skin applications,” Compos. Sci. Technol., vol. 197, p. 108215, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108215.

V. A. Barbash, O. V. Yashchenko, A. S. Gondovska, I. M. Deykun, “Preparation and characterization of nanocellulose obtained by TEMPO-mediated oxidation of organosolv pulp from reed stalks,” Appl. Nanosci., vol. 12, no. 4, pp. 835–848, 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s13204-021-01749-z.

А. О. Найдьонов, М. Г. Душейко, В. М. Коваль, В. А. Барбаш, “Одноразові носимі сенсори на основі наноцелюлози для біомедичних застосувань,” Мікросистеми, Електроніка та Акустика, vol. 27, no. 3, 2022, doi: https://doi.org/10.20535/2523-4455.mea.264043.

Отримані тензочутливі елементи U- і П-типу на підкладках з композиту НЦ–ПВС

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-10-26 — Оновлено 2023-10-26

Як цитувати

Найдьонов, А. О., Коваль, В. М., Душейко, М. Г., Барбаш, В. А., & Ященко, О. В. (2023). Сенсори вигину на основі наноцелюлозовмісних композитів: вплив конфігурації тензорезистора. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 66(10), 621–628. https://doi.org/10.20535/S0021347023090042

Номер

Том 66 № 10 (2023)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.