توصيفگر ها :
حسگر رطوبت , ايروژل سيليس , منسوج پلي استري , لايه متخلخل جاذب , ذرات Tio2
چكيده فارسي :
رطوبت يكي از مشخصههاي اصلي بازدم است كه مي تواند براي ارزيابي علائم حياتي و كيفيت تنفس و پيش بيني بيماري مورد اندازهگيري قرار گيرد. يكي از روشهاي كارآمد براي اندازهگيري و كنترل رطوبت بازدم و پوست، استفاده از حسگرهاي رطوبت پوشيدني است. دو روش رايج براي تهيه حسگرهاي انعطافپذير استفاده از الياف يا پوشش هاي رسانا و ديگري چاپ لايه جاذب رطوبت بر روي بستر ليفي است. دشواري ساخت حسگر، پاسخ كند و انتخاب پذيري ضعيف از معايب روش اول به شمار مي رود. به همين دليل استفاده از مواد متخلخل جاذب رطوبت مورد توجه قرار گرفتهاند. حسگرهاي بر پايه ايروژل به دليل دارا بودن تخلخل و سطح مخصوص بالا، ميزان جذب رطوبت را افزايش داده و مكان هاي فعال فراوان براي جذب وآشكارسازي رطوبت فراهم ساخته و ساختار متخلخل سه بعدي ايروژل انتشار گاز درون ساختار را افزايش ميدهد و بنابراين مي توانند حساسيت بالا، حد تشخيص كم و سرعت پاسخ و بازيابي بالا داشته باشند. در اين پژوهش، ابتدا عملكرد حسگر رطوبت بر پايه نانوساختار مزومتخلخل ايروژل سيليس آبدوست و همچنين تأثير افزودن نانوذرات TiO2 و نمك ليتيوم كلرايد در شبكه ايروژل بر كارايي اين حسگر بررسي شد. در ادامه عملكرد حسگر رطوبت منسوج پلياستري پوششدهي شده با ذرات ايروژل سيليس خالص و كامپوزيتي مورد بررسي قرار گرفت. نمونههاي ايروژلي مختلف با كنترل شرايط سنتز و مقدار نانوذرات TiO2 و نمك ليتيوم كلرايد موجود درشبكه سيليس مزوحفره، با روش سل- ژل دومرحلهاي و خشك كردن در فشار محيط سنتز و سپس براي ارزيابي عملكرد حسگري بر روي الكترود شانهاي پوشش داده شدند. براي تهيه نمونههاي حسگر ليفي، ابتدا منسوچ پلياستري با يك لايه رسانا از نمك ليتيوم كلرايد و سپس با ذرات ايروژلي با استفاده از چسب پليوينيلالكل پوششدهي شد. براي ارزيابي عملكرد حسگري نمونهها، تغييرات مقاومت الكتريكي و امپدانس نمونهها در حضور رطوبت ارزيابي شد. بررسي مورفولوژي، خواص شيميايي و ساختار حفرات ذرات ايروژلي با استفاده از تصاويرFE-SEM، طيف سنجيEDX، FTIR و آزمونهاي جذب و واجذب نيتروژن انجام شد. نتايج حاكي از كارايي بالاي حسگرهاي رطوبت برپايه ايروژل سيليس تهيه شده است و حضور نمك ليتيوم كلرايد و TiO2 در ساختار ايروژل به دليل افزايش نرخ جذب رطوبت و نيز افزايش رسانايي شبكه ايروژلي، سرعت پاسخدهي و حساسيت حسگر را بهبود داد. همچنين مشاهده شد با خشك كردن نمونهها در دماي بالا، تعداد گروههاي سيلانول شبكه ايروژل كاهش يافته و در نتيجه جذب رطوبت وكارايي حسگر كاهش يافت. حسگر ليفي تهيه شده از ايروژل كامپوزيتي سيليس/ نمك ليتيوم كلرايد در رطوبت 20 تا 90% براساس اندازهگيري مقاومت و امپدانس الكتريكي به ترتيب كوتاه ترين زمان پاسخ (25 و 19 ثانيه) و بيشترين حساسيت (5/65 و 23909) را نشان داد و اين نمونه حتي در رطوبت 11% نيز همچنان از عملكرد حسگري بالايي برخوردار بود. همچنين حسگر ليفي تهيه شده از ايروژل كامپوزيتي سيليس/ TiO2 در رطوبت 30 تا 50 درصد بهترين عملكرد شامل زمان پاسخ 15 ثانيه وزمان بازيابي 2 دقيقه را داراست. عملكرد نمونههاي حسگر ليفي در مدت زمان 30 روز ارزيابي شد كه نتايج حاصل حاكي از حفظ عملكرد و حساسيت به رطوبت و پايداري بالاي آنهاست.
چكيده انگليسي :
Humidity is one of the key characteristics of exhaled breath that can be measured to assess vital signs, breathing quality, and disease prediction. One effective approach to monitor and control exhaled and skin moisture is the use of wearable humidity sensors. Two common methods for fabricating flexible sensors are the use of conductive fibers or coatings, and printing moisture-absorbing layers on fibrous substrates. The first method suffers from disadvantages such as complex fabrication processes, slow response, and poor selectivity. Therefore, the use of porous moisture-absorbing materials has gained attention. Aerogel-based sensors, due to their high porosity and large specific surface area, enhance moisture uptake and provide numerous active sites for moisture adsorption and detection. Moreover, the 3D porous structure of aerogels facilitates gas diffusion, resulting in high sensitivity, low detection limits, and fast response and recovery times. In this study, a humidity sensor based on hydrophilic mesoporous silica aerogel nanostructures was developed, and the effects of incorporating TiO₂ nanoparticles and lithium chloride salt into the aerogel network on the sensor’s performance were investigated. Furthermore, the performance of polyester fabric-based humidity sensors coated with pure and composite silica aerogel particles was studied. Various aerogel samples were synthesized by a two-step sol-gel method and ambient pressure drying, controlling the synthesis conditions and the amounts of TiO₂ nanoparticles and lithium chloride in the mesoporous silica network. The sensors were then coated onto interdigitated electrodes for performance evaluation. To fabricate the fiber-based sensors, polyester fabric was first coated with a conductive layer of lithium chloride salt and then with aerogel particles using polyvinyl alcohol (PVA) as a binder. The sensing performance was assessed by measuring changes in electrical resistance and impedance in the presence of humidity. The morphology, chemical properties, and pore structure of the aerogel particles were analyzed using FE-SEM imaging, EDX, FTIR spectroscopy, and nitrogen adsorption-desorption tests. The results demonstrated the high efficiency of silica aerogel-based humidity sensors. The inclusion of lithium chloride salt and TiO₂ in the aerogel network improved the sensorʹs sensitivity and response speed due to enhanced moisture absorption and increased conductivity. It was also observed that heat drying reduced the number of silanol groups in the aerogel network, consequently lowering moisture uptake and sensor performance. The fiber-based sensor made from silica/lithium chloride composite aerogel exhibited the shortest response times (25 and 19 seconds) and highest sensitivities (65.5 and 23,909) based on resistance and impedance measurements, respectively, across a humidity range of 20% to 90%, and maintained high sensing performance even at 11% RH. Additionally, the silica/TiO₂ composite aerogel-based fiber sensor showed the best performance in the 30–50% RH range, with a response time of 15 seconds and a recovery time of 2 minutes. Long-term stability tests over 30 days confirmed the durability and sustained sensitivity of the fiber-based sensors