Быстрая фабрикация иерархических пористых полианилин/полиуретан губка композитов для гибких датчиков давления и настраиваемых газовых сенсоров

Аннотация

Мы представляем экономичный, in-situ полимеризационный путь к производству много-иерархического пористого полианилина (PANI) композита на коммерческой полиуретановой губке. Губчатый каркас предлагает огромную взаимосвязанную поверхность, облегчающую рост PANI нановетвей, давая гибкий, высокоповерхностный композит. Собранный как пьезорезистивный датчик давления, материал демонстрирует быстрый отклик, отличную восстанавливаемость и чувствительность к давлению, возрастающую от 8,0 кПа⁻¹ при низких давлениях до 54,5 кПа⁻¹ выше 8 кПа. Кроме того, тот же композит служит газовым сенсором, чья чувствительность к NH₃ может быть настроена варьированием приложенного давления, благодаря регулируемой внутренней поровой плотности. Эта работа демонстрирует легкий, низкозатратный метод фабрикации многофункциональных сенсоров с прямым сбором сигнала.

Введение

Гибкие сенсоры — давления, деформации, газа, температуры, смещения — ключевы для следующего поколения носимых и складных устройств. Однако их фабрикация часто требует дорогих, многоступенчатых процессов. Трехмерные (3D) губки, особенно полиуретановые, привлекательны благодаря эластичности, высокой удельной площади, низкой плотности и дешевому производству. В комбинации с проводящими наполнителями губки применяли в датчиках давления, суперконденсаторах и нефтесорбентах. Проводящие полимеры, особенно полианилин (PANI), выгодны для сенсоров благодаря внутренней электрической проводимости, механической стойкости и большой площади поверхности. PANI можно синтезировать через допинг или in-situ полимеризацию, последняя предлагая более масштабируемый и эффективный путь.

Пьезорезистивные датчики давления конвертируют механическую деформацию в изменения сопротивления и ценятся за простой дизайн и низкую стоимость. Сенсорный принцип опирается на модуляцию контактных путей внутри проводящей сети. Для газосенсорирования проводимость PANI модулируется протонированием/допингом при взаимодействии с щелочными газами типа NH₃, что снижает количество заряженных носителей и увеличивает сопротивление.

В этом исследовании мы используем in-situ полимеризацию для выращивания пористой PANI сети на полиуретановой губке, производя композит, служащий одновременно высокопроизводительным датчиком давления и настраиваемой чувствительности NH₃ газовым сенсором.

Методы

Материалы

Персульфат аммония (APS, M_w = 228,20 г/моль), 5-сульфосалициловая кислота (SSA, M_w = 254,22 г/моль) и анилин (M_w = 93,13 г/моль) от Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Шанхай, Китай). Коммерческая полиуретановая губка (Domaxe, Китай) использовалась как каркас.

Подготовка PANI/губка композита

Полимеризационную смесь готовили растворением 2,5422 г SSA и 1,8626 г анилина в 50 мл деионизированной воды, затем магнитным перемешиванием 20 мин. Губку погружали, и 4,5640 г APS в 50 мл деионизированной воды добавляли медленно для однородного смешивания. Реакцию вели при 2 °C 24 ч. После промывки деионизированной водой для удаления остаточных мономеров и оксиданта, образец сушили при комнатной температуре 48 ч. Полученный PANI/губка композит менял цвет от желтого на темно-зеленый, загрузка PANI ~35 масс. % (по разнице весов).

Сборка сенсора

2×2×2 см³ PANI/губка композит помещали между двумя медными электродами (медная фольга). Медные провода паяли к электродам и подключали к Keithley 6487 высокоомметру для электрических измерений.

Характеризация

Раскладная электронная микроскопия (SEM, JEOL JSM-7500F) и Raman спектроскопия (Renishaw inVia Plus, 532 нм лазер) использовали для изучения морфологии и структуры. Электрические свойства измеряли системой Keithley 6487.

Результаты и обсуждение

Морфологические и структурные свойства

SEM изображения раскрывают, что pristine губка показывает гладкую, взаимосвязанную пористую структуру, тогда как PANI-покрытая губка демонстрирует шероховатую поверхность, плотно покрытую нановетвями. Наноструктурированное PANI покрытие увеличивает удельную площадь композита и улучшает электрическую проводимость. Композит обладает много-иерархической поровой архитектурой, включающей микропоры губки и нанопористость, вводимую PANI ветвями.

Raman спектроскопия

Raman спектр композита показывает характерные PANI пики при 1486, 1407, 1216 и 1163 см⁻¹, соответствующие C=C/C=N растяжению, C–N растяжению и C–N изгибу соответственно. Полоса при 1588 см⁻¹ подтверждает C–C растяжение. Эти признаки подтверждают успешную полимеризацию PANI на губчатом каркасе.

Тест чувствительности к давлению

При циклическом давлении сопротивление композита резко снижается с нагрузкой и мгновенно восстанавливается при разгрузке. Относительное изменение сопротивления (ΔR/R₀) растет от 0 до 13 кПа, с чувствительностью 8,0 кПа⁻¹ в диапазоне 0–8 кПа и 54,5 кПа⁻¹ в диапазоне 8–13 кПа. Сенсорный механизм атрибутируется сжатию-индуцированному снижению контактного сопротивления внутри пористой сети.

Стабильность и восстанавливаемость

Под непрерывными циклами загрузки-разгрузки до 12 мм сжатия сенсор показывает линейный ток-давление отклик, быстрое восстановление в течение 35 с и незначительную гистерезис, демонстрируя отличную долговечность для носимых приложений.

Обнаружение изгиба пальца

Устанавливая 2×1×0,5 см³ сенсор на резиновую перчатку, устройство точно отслеживает сгибание и разгибание пальца, с четкими, повторяющимися токами пиков, коррелирующими с изгибными событиями, подчеркивая пригодность для мягкой робототехники и мониторинга человеческого движения.

Настраиваемая чувствительность газового сенсора

Варьируя предварительное сжатие композита в герметичной камере, чувствительность детекции NH₃ может быть настроена. Более высокое сжатие уменьшает поровой объем и скорость диффузии, приводя к более длинным временам отклика и более низким стационарным токам. Это контролируемое поведение возникает от регулируемой внутренней контактной плотности, предлагая прямой способ адаптации газосенсорной производительности.

Заключение

Мы продемонстрировали простой, масштабируемый метод фабрикации иерархического PANI/PU губка композита, функционирующего как высокочувствительный, низкозатратный датчик давления и настраиваемый NH₃ газовый сенсор. Гибкая, пористая архитектура обеспечивает быстрый отклик, отличную восстанавливаемость и регулируемую газосенсорную производительность, делая его перспективным кандидатом для следующего поколения носимых и портативных сенсорных устройств.