基于电容型湿度传感器聚酰亚胺薄膜感湿性能的研究

摘要

随着科技的发展和生活水平的提高，国防、医疗、交通、工农业生产及居室环境等领域对湿度控制的要求越来越高，部分领域对湿度传感器动态响应特性提出了较高要求。
　　湿敏元件是湿度传感器的核心部件，而作为湿敏元件的主要组成部分，湿敏材料的湿滞和动态响应特性及其水蒸气传质机理研究却相对较少。由于优良的物理化学性能，聚酰亚胺高分子材料其作为湿敏材料被广泛应用于湿敏元件中。然而，由于聚酰亚胺感湿膜中水蒸汽传质过程的复杂性，如常常伴有水分子凝聚和化学反应，迄今为止，尚缺乏能够准确描述聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理的模型方程，以及相关物性参数的实验及数据。因此，开展聚酰亚胺感湿薄膜相关物性参数的实验测试和研究，并以此完善聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质机理模型方程，准确描述湿敏元件动态响应特性的感湿机理，优化其湿滞和动态响应等特性，理论和实际意义巨大。
　　本课题首先通过改变聚酰亚胺的成分和浓度，制备一系列不同成分、不同厚度、不同浓度的聚酰亚胺薄膜并针对不同厚度、浓度和成分的聚酰亚胺感湿薄膜物性参数进行实验测试，获得基本物性参数;为了测得聚酰亚胺薄膜的感湿特性，设计搭建了水分子有效扩散系数测试系统。其次测定了聚酰亚胺感湿膜中水分子含量、有效渗透系数，感湿膜吸湿、脱湿时间以及水分子的有效扩散系数。最后基于理论分析，构建数值模型，尝试对聚酰亚胺感湿薄膜水蒸气传质过程和机理进行进一步研究，得出聚酰亚胺感湿膜的最佳设计参数。研究结果可以增进对聚酰亚胺感湿膜水分子感湿机理的认识，为优质湿敏元件的生产提供基础依据。
　　通过本文研究，得出以下结论:
　　1)采用二酐PMDA、BPDA与二胺BAPP、ODA能够合成理想的聚酰亚胺感湿膜，且感湿膜浓度不影响PI的生成。
　　2)搭建的水分子扩散系数测试系统能够有效测试聚酰亚胺感湿膜的湿敏特性。
　　3)实验测得聚酰亚胺感湿膜厚度对感湿膜湿敏特性的影响非常显著，感湿膜的感湿性能随着浓度增加和膜厚减小越来越优良，但感湿膜浓度与厚度相互制约。对于不同成分的聚酰亚胺感湿膜，有效扩散系数相近，说明PI成分对其感湿性能影响不大。环境温度的升高能够有效增加水分子的扩散系数。
　　4)聚酰亚胺感湿膜的脱附过程总是比吸附过程耗时更长。
　　5)本文建立的数值模型较为合理，可以有效应用于环境中水分子向感湿膜传递的研究。
　　6)数值模拟结果显示，感湿膜厚度和孔隙率对水分子在感湿膜中扩散的影响最为显著，提高环境温度和环境相对湿度突变范围能够在一定程度上改善感湿膜的吸湿特性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 感湿材料发展动态

1．2．1 高分子感湿材料研究现状

1．2．2 聚酰亚胺感湿材料研究现状

1．3 主要研究内容

2．聚酰亚胺感湿材料概述

2．1 聚酰亚胺的性能

2．2 聚酰亚胺的制备方法

2．3 聚酰亚胺的应用

2．4 本章小结

3．聚酰亚胺薄膜的制备

3．1 实验原料与仪器设备

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验仪器与设备

3．2 合成方法

3．2．1 反应方程式

3．2．2 制备过程

3．3 表面结构及产物分析

3．3．1 聚酰亚胺薄膜试样

3．3．2 聚酰亚胺薄膜电镜

3．3．3 聚酰亚胺薄膜红外光谱

3．4 本章小结

4．有效扩散系数测试系统平台搭建

4．1 设计原理

4．2 高、低湿气体发生器

4．2．1 高湿气体发生器的设计

4．2．2 低湿气体发生器的设计

4．3 储气罐

4．4 吸附室的设计

4．5 有效扩散系数测试平台的搭建

4．6 本章小结

5．聚酰亚胺感湿膜的性能测试及分析

5．1 实验方法

5．2 水分子有效渗透系数

5．2．1 有效渗透系数测试原理

5．2．2 聚酰亚胺感湿膜厚度的影晌

5．2．3 聚酰亚胺感湿膜浓度的影响

5．2．4 聚酰亚胺感湿膜成分的影响

5．2．5 环境温度的影响

5．3 水分子有效扩散系数

5．3．1 水分子有效扩散系数测试原理

5．3．2 聚酰亚胺感湿膜等温吸湿曲线

5．3．3 聚酰亚胺感湿膜厚度的影响

5．3．4 聚酰亚胺感湿膜浓度的影响

5．3．5 聚酰亚胺感湿膜成分的影响

5．3．6 环境温度的影响

5．4 聚酰亚胺感湿膜的脱湿性能

5．5 本章小结

6．感湿膜内水分子扩散数值模拟

6．1 模型构建

6．1．1 物理模型

6．1．2 数学模型

6．2 数值模拟方法

6．2．1 网格划分

6．2．2 网格独立性验证

6．2．3 数值模拟方法有效性验证

6．3 数值模拟结果及分析

6．3．1 环境温度的影响

6．3．2 湿度跃变范围的影响

6．3．3 感湿膜厚度的影响

6．3．4 感湿膜孔隙率的影响

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果