ナノフィブリル化セルロースをベースとした導電性薄膜の開発.水との相互作用と湿度センシングへの応用

Electrically-Conductive Thin Films Based on Nanofibrillated Cellulose: Interactions with Water and Applications in Humidity Sensing.

• Katariina Solin
• Maryam Borghei
• Ozlem Sel
• Hannes Orelma
• Leena-Sisko Johansson
• Hubert Perrot
• Orlando J Rojas

抄録

TEMPO酸化セルロースナノフィブリル（TOCNF）と酸化カーボンナノチューブ（CNT）を湿度応答性薄膜として用い、電気音響アドミタンス（インピーダンスモニタリング付き水晶マイクロバランス、QCM-I）と電気抵抗率を用いて評価した。相対湿度(% RH)が30〜60%の範囲、温度が25〜50℃の範囲で、水の取り込みと膨潤現象を調べた。CNTの存在により、高い水へのアクセス性を持つフィブリルネットワークが得られ、湿度の変化に素早く敏感に反応し、最大20%のマスゲインを得ることができました。TOCNFベースのセンサーは、Martin-Granstaffモデルによって定量化されたように、水の取り込み時に粘弾性を持つようになりました。センシング素子をガラスと紙の基板上に支持したところ、周期的な％RH、曲げ、接着、耐久性の点で広い動作範囲が確認されました。支持されたフィルムの電気抵抗は、20から60％までの％RHの変化で〜15％増加した。提案したシステムは、スマートパッケージングの変化を監視するための大きな可能性を提供しています。

TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils (TOCNF) and oxidized carbon nanotubes (CNT) were used as humidity-responsive films and evaluated using electroacoustic admittance (quartz crystal microbalance with impedance monitoring, QCM-I) and electrical resistivity. Water-uptake and swelling phenomena were investigated in a range of relative humidity (% RH) between 30 and 60% and temperatures between 25 and 50 °C. The presence of CNT endowed fibril networks with high water accessibility, enabling fast and sensitive response to changes in humidity, with mass gains of up to 20%. The TOCNF-based sensors became viscoelastic upon water uptake, as quantified by the Martin-Granstaff model. Sensing elements were supported on glass and paper substrates and confirmed a wide window of operation in terms of cyclic % RH, bending, adhesion and durability. The electrical resistance of the supported films increased by ~15% with changes in % RH from 20 to 60%. The proposed system offers a great potential to monitor changes in smart packaging.