Высокорастяжимая, электрически проводимая TPU-PANI нановолокнистая мембрана для передовых гибких датчиков деформации

Аннотация

Спроектирован термопластичный полиуретан (TPU) нановолокнистый композит, функционализированный in situ полианилином (PANI) через электроспиннинг, для создания гибкого датчика деформации, выдерживающего деформации до 165% с быстрым откликом и долгосрочной стабильностью. Композит сохраняет постоянную проводимость в широком температурном диапазоне и конформируется к неравным поверхностям, предлагая дешевый, масштабируемый путь к высокопроизводительным носимым сенсорам и проводящим подложкам.

Введение

Нановолокнистые мембраны ценятся за их большую удельную площадь, высокую пористость, эластичность и превосходные механические свойства, делая их привлекательными для тканевых скаффолдов, защитной одежды, систем доставки лекарств и электронных устройств [1–10]. Среди фабрикационных техник электроспиннинг выделяется своей простотой, доступностью и универсальностью в производстве не tkanych ковров [11–15]. Однако достижение электрической проводимости в таких мембранах обычно требует включения проводящих полимеров или углеродных полупроводников. Полианилин (PANI) предлагает высокую проводимость, но страдает от ограниченной эластичности из-за своего полярного основного цепочки [16]. Термопластичный полиуретан (TPU) обеспечивает отличную растяжимость и истираемость [17]. Объединяя TPU с PANI через in situ полимеризацию, мы стремимся преодолеть хрупкость PANI сохраняя высокую эластичность TPU, тем самым создавая композит, пригодный для носимых датчиков деформации и растяжимых проводников.

Экспериментальная

Подготовка PANI/TPU нановолокнистой мембраны

Фабрикация идет в три стадии. Перво, TPU раствор готовят растворением 2,4 г TPU в 8,8 г N,N-диметилформамида (DMF) и 8,8 г тетрагидрофурана (THF), затем перемешиванием 5 ч до однородности. Электроспиннинг выполняют при 10–12 см игла-коллектор расстояние, 12 кВ и 15 мкл/мин скорость подачи, с роликовым коллектором для достижения равномерной толщины. Полученный TPU ковер затем подвергают PANI полимеризации: 4,6 г персульфата аммония (APS) растворяют в 50 мл деионизированной воды (раствор A); 1,875 г анилина и 2,54 г сульфосалициловой кислоты (SSA) растворяют в 50 мл DI воды (раствор B). TPU мембрана (10 см × 10 см) погружают в раствор B, за которым следует медленное добавление раствора A при перемешивании при комнатной температуре за 30 мин. После 12 ч при 275 К мембрану промывают, сушат 48 ч при комнатной температуре и она становится зеленым PANI/TPU композитом.

Сборка сенсора

Сенсор фабрикуют помещением 1 см × 2 см × 0,05 см композитной мембраны между двух PDMS пленок (1,5 см × 3 см × 0,05 см) для защиты волокон. Медные выводы соединяют серебряной пастой, активная ширина 15 мм с 1,5 мм электродным интервалом. См. схему ниже.

Характеристика выполняется оптической микроскопией (Olympus BX51), SEM (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), динамическим механическим анализатором (TA Q-800), Китли 6485 высокоомметром и PPMS (Quantum Design) для температурно-зависимых исследований.

Результаты и обсуждение

Морфология и состав

Первозданный TPU ковер демонстрирует равномерную, высокоэластичную волокнистую сеть. После полимеризации мембрана становится глубокозеленой (Рисунок 2a,b) и SEM раскрывает PANI частицы, декорирующие поверхности волокон (Рисунок 2d). FTIR спектры подтверждают присутствие PANI: новые полосы при 3250 см⁻¹ (N-H растяжение) и 1514 см⁻¹ (C=C ароматическое) появляются в композите, отсутствующие в чистом TPU (Рисунок 3).

Растяжимость и чувствительность

PANI/TPU сенсор демонстрирует отличную эластичность, терпя деформации до 165% сохраняя линейные I-V характеристики (Рисунок 4а). Ток постепенно уменьшается с увеличением деформации, указывая на настраиваемое сопротивление, пригодное для деформационного сенсинга (Рисунок 4б). Механическое тестирование показывает, что композитная нагрузка-деформация кривая состоит из эластичной области (0–19%), пластичного плато (19–140%) и окончательного разрыва при ~165% (Рисунок 5). Растягивающая прочность возрастает до 1,93 МПа относительно TPU один, хотя деформация на разрыве слегка снижается из-за хрупкой природы PANI.

Коэффициент чувствительности (GF) рассчитывают как GF = (ΔR/R₀)/ε. Композит показывает GF 6,73 в эластичном режиме (0–120%) и 49,51 в пластичном режиме (120–150%), указывая на высокую чувствительность, особенно по сравнению с PANI/PVDF сенсорами (GF ≈ 1) [21] и превосходя многими полимерными сенсорами, хотя ниже ультратонких кремниевых или PEDOT:PSS/PVA пленок.

Стабильность тесты под постоянной 30,7% деформации демонстрируют почти идеальное восстановление тока во времени, подтверждая отличную повторяемость. Выносливость тесты за 1000 циклов показывают незначительные изменения I-V характеристик, засвидетельствовуя долговечность.

Гибкость и температурная стабильность

При изгибе на подложках с кривизной от 0 до 0,4 мм⁻¹ I-V отклик меняется минимально (Рисунок 7а), подтверждая пригодность для неравномерных применений. Температурный цикл от 240 К до 360 К приводит к лишь умеренным изменениям сопротивления (2,97 кОм до 1,60 кОм), указывая на надежную производительность в типичных окружающих диапазонах (Рисунок 8).

Детекция движения пальцев

Высокая чувствительность сенсора позволяет детектировать сгибание и разгибание пальца. В 2000-цикловом тесте ток резко пикует при сгибании и возвращается к базовому при разгибании (Рисунок 9а). Простая LED схема демонстрирует реальное время визуальную обратную связь: LED сохраняет яркость при мягком изгибе и тускнеет с увеличением растягивающей деформации, предлагая низкосложный дисплей состояния деформации (Рисунок 10).

Заключение

Продемонстрирован легкий, дешевый фабрикационный путь для высокорастяжимого, электрически проводимого TPU-PANI нановолокнистого композита. Полученный датчик деформации надежно детектирует деформации до 165% с быстрым, повторяемым откликом, сохраняет проводимость в широком температурном окне и может быть интегрирован в носимые или гибкие электронные системы. Его легкий вес, низкая стоимость и надежная производительность делают его привлекательной платформой для носимого биосенсинга следующего поколения и гибких схем.

Аббревиатуры

DI water

Деионизированная вода

PANI

Полианилин

TPU

Термопластичный полиуретан