ДАТЧИКИ ВИГИНУ НА ОСНОВІ БІОНАНОКОМПОЗИТІВ ІЗ НАНОЦЕЛЮЛОЗИ ТА ПОЛІВІНІЛОВОГО СПИРТУ ДЛЯ НОСИМОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

А. Найдьонов; В. Коваль; В. Барбаш; М. Душейко; О. Ященко

doi:10.15407/scine20.05.071

Автор(и)

А. Найдьонов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-2410-1693
В. Коваль Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-3898-9163
В. Барбаш Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0002-7933-6038
М. Душейко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-3476-4220
О. Ященко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» https://orcid.org/0000-0003-3716-8707

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine20.05.071

Ключові слова:

сенсор вигину, наноцелюлоза, ПВС, біонанокомпозит, біорозкладність, носимий сенсор

Анотація

Вступ. На сьогодні в датчиках вигину використовують штучні полімери, які забруднюють навколишнє середовище. Наноцелюлоза (НЦ) є біорозкладним і гнучким матеріалом, однак має низьку здатність до видовження, що обмежує її застосування для оцінки рухів людини. Одним із способів вирішення цієї проблеми є створення композитів на основі НЦ.
Проблематика. Актуальним питанням є синтез сенсорів вигину на основі біорозкладного матеріалу (біонанокомпозиту із наноцелюлози та полівінілового спирту (ПВС)) для використання у сенсорах, що можуть бути застосовані для аналізу м’язової активності людини.
Мета. Визначення впливу матеріалу підкладки сенсора на робочі параметри сенсорів вигину.
Матеріали й методи. Застосовано методи синтезу: кислотний гідроліз органосольвентної целюлози для отримання НЦ, лиття з використанням вакууму для отримання нанокомпозитних плівок НЦ-ПВС і методу високочастотного магнетронного розпилення для виготовлення тензочутливих плівок. Методами дослідження були оптична спектрометрія, тестування на механічне видовження та розрив, тестування на біорозкладність у ґрунті, тензометрія.
Результати. Синтезовано композити НЦ-ПВС та на їхній основі створено датчики вигину. Основні електричні
параметри одержаних сенсорів вигину: коефіцієнт тензочутливості досягав 7,52, реверсивність — 9—23 %, повзучість — 0,17—0,5%/хв. При цьому біорозкладність композиту становила 21—70% втрати маси за 4,5 місяців. Досліджено вплив матеріалу підкладки сенсорів на функціональні властивості цих датчиків. Встановлено, що додавання ПВС до НЦ покращило оптичні та механічні властивості композитів.
Висновки. Оптимальним складом композиту можна вважати суміш НЦ-ПВС у співвідношенні 1 : 1. Розроблені датчики вигину можуть бути використані для моніторингу активності м’язів людини, що є перспективним для застосування у медицині, спорті, реабілітації.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

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

Linevych, Y., Koval, V., Dusheiko, M., Yakymenko, Y., Lakyda, M., Barbash, V. (2022). Silicon diode structures based on nanowires for temperature sensing application. In 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO) (Kyiv, 2022, Ukraine), 190—195. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927122

Candan, Z., Tozluoglu, A., Gonultas, O., Yildirim, M., Fidan, H., Alma, M. H., Salan, T. (2022). Nanocellulose: Sus tai - nable biomaterial for developing novel adhesives and composites. In: Industrial Applications of Nanocellulose and Its Nanocomposites, 49—137. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-89909-3.00015-8

Naidonov, A. O., Dusheiko, M. H., Koval, V. M., Barbash, V. A. (2022). Disposable wearable sensors based on nanocellulose for biomedical applications. Microsystems, Electronics and Acoustics, 27(3), 264043—1. https://doi.org/10.20535/2523- 4455.mea.264043

Kuchuk, H., Podorozhniak, A., Liubchenko, N., Onischenko, D. (2021). System of license plate recognition considering large camera shooting angles. Radioelectronic and Computer Systems, 4225(4), 82—91. https://doi.org/10.32620/REKS.2021.4.07

Sokolov, D. D., Merlak, V. Y., Orekhov, A. A., Plakhtyev, A. P. (2019). Environmental monitoring with wireless sensor networks application: Development and experiments. Radioelectronic and Computer Systems, 3(3), 40—47. https://doi.org/10.32620/REKS.2019.3.04

Wang, B., Dai, L., Hunter, L., Zhang, L., Yang, G., Chen, J., Zhang, X., He, Z., Ni, Y. (2021). A multifunctional nano cellulose-based hydrogel for strain sensing and self-powering applications. Carbohydrate Polymers, 268, 118210. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2021.118210

Kumar, S., Ngasainao, M., Sharma, D., Sengar, M., Gahlot, A. P. S., Shukla, S., Kumari, P. (2022). Contemporary nanocellulose-composites: A new paradigm for sensing applications. Carbohydrate Polymers, 298, 120052. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2022.120052

Ji, F., Sun, Z., Hang, T. (2022). Flexible piezoresistive pressure sensors based on nanocellulose aerogels for human motion monitoring: A review. Composites Communications, 35, 101351. https://doi.org/10.1016/J.COCO.2022.101351

Qin, M., Yuan, W., Zhang, X. (2022). Preparation of PAA/PAM/MXene/TA hydrogel with antioxidant, healable ability as strain sensor. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 214, 112482. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFB.2022.112482

Li, Y., Yang, D., Wu, Z. (2023). Self-adhesive, self-healing, biocompatible and conductive polyacrylamide nanocom posite hydrogels for reliable strain and pressure sensors. Nano Energy, 109, 108324. https://doi.org/10.1016/J.NANOEN. 2023.108324

Li, Y., Gong, Q., Han, L. (2022). Carboxymethyl cellulose assisted polyaniline in conductive hydrogels for high-performance self-powered strain sensors. Carbohydrate Polymers, 298, 120060. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2022.120060

Aouida, M., Ramotar, D. (2018). Identifi cation of essential yeast genes involved in polyamine resistance. Gene, 677, 361—369. https://doi.org/10.1016/J.GENE.2018.08.066

Kim, D. S., Jeong, Y. J., Shanmugasundaram, A. (2021). 64 PI/PDMS hybrid cantilever arrays with an integrated strain sensor for a high-throughput drug toxicity screening application. Biosensors and Bioelectronics, 190, 113380. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2021.113380

Gong, T., Jia, J., Sun, X. R., Li, W., Di, K., Bao, R. Y., Yang, W. (2023). Design strategy for hierarchical structure of carbon black on microporous elastomer surface toward stretchable and compressive strain sensors. Carbon, 206, 53—61. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2023.02.008

Morais, J. P. S., Rosa, M. D. F., De Souza Filho, M. D. S. M., Nascimento, L. D., Do Nascimento, D. M., Cassales, A. R. (2013). Extraction and characterization of nanocellulose structures from raw cotton linter. Carbohydrate Polymers, 91(1), 229—235. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2012.08.010

Barbash, V., Yaschenko, O. (2021). Preparation, properties and use of nanocellulose from non-wood plant materials. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/INTECHOPEN.94272

Zhang, X., Guo, J., Liu, Y., Hao, X., Ji, X., Yang, Q. (2023). Biochemical preparation of hydrophobic and lipophilic na nocellulose from hemp stalk. Materials Today Chemistry, 27, 101346. https://doi.org/10.1016/J.MTCHEM.2022.101346

Singh, H., Kumar Verma, A., Kumar Trivedi, A., Gupta, M. K. (2023). Characterization of nanocellulose isolated from bamboo fi bers. Materials Today: Proceedings. Available online 4 March 2023. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2023.02.300

Zhang, C., Jiang, Q., Liu, A. (2020). The bead-like Li3 V2 (PO4 )3 /NC nanofi bers based on the nanocellulose from waste reed for long-life Li-ion batteries. Carbohydrate Polymers, 237, 116134. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2020.116134

Babicka, M., Woźniak, M., Bartkowiak, M. (2022). Miscanthus and Sorghum as sustainable biomass sources for nanocellulose production. Industrial Crops and Products, 186, 115177. https://doi.org/10.1016/J.INDCROP.2022.115177

Deng, Y., Xi, J., Meng, L., Lou, Y., Seidi, F., Wu, W., Xiao, H. (2022). Stimuli-responsive nanocellulose hydrogels: An overview. European Polymer Journal, 180, 111591. https://doi.org/10.1016/J.EURPOLYMJ.2022.111591

Barhoum, A., Rastogi, V. K., Mahur, B. K., Rastogi, A., Abdel-Haleem, F. M., Samyn, P. (2022). Nanocelluloses as new generation materials: Natural resources, structure-related properties, engineering nanostructures, and technical challenges. Materials Today Chemistry, 26, 101247. https://doi.org/10.1016/J.MTCHEM.2022.101247

Guo, B., He, S., Yao, M. (2023). MXene-containing anisotropic hydrogels strain sensors with enhanced sensing performance for human motion monitoring and wireless transmission. Chemical Engineering Journal, 461, 142099. https://doi.org/10.1016/J.CEJ.2023.142099

Zhang, X. (2023). Dry and frost resistance conductive hydrogels based on carbon nanotubes hybrids for use as fl exible strain sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 350, 114143. https://doi.org/10.1016/J.SNA.2022.114143

Jakubowski, M., Domke, A., Ratajczak, M., Szczuka, J., Buchwald, T., Voelkel, A., Sandomierski, M. (2023). Chitosan modifi ed with lanthanum ions as implantable hydrogel for local delivery of bisphosphonates. International Journal of Biological Macromolecules, 230, 123429. https://doi.org/10.1016/J.Ĳ BIOMAC.2023.123429

Siegel, A. C., Phillips, S. T., Dickey, M. D., Lu, N., Suo, Z., Whitesides, G. M. (2010). Foldable printed circuit boards on paper substrates. Advanced Functional Materials, 20(1), 28—35. https://doi.org/10.1002/ADFM.200901363

Toth, L. (1987). A model of substrate surface roughness eff ect on the electrical properties of thin fi lms. Vacuum, 37(1—2), 103—106. https://doi.org/10.1016/0042-207X(87)90094-7

Gebhart, D. D., Krapf, A., Gammer, C., Merle, B., Cordill, M. J. (2022). Linking through-thickness cracks in metallic thin fi lms to in-situ electrical resistance peak broadening. Scripta Materialia, 212, 114550. https://doi.org/10.1016/J.SCRIPTAMAT.2022.114550