Eenvoudige fabricage van multi-hiërarchische poreuze polyaniline-composiet als druksensor en gassensor met instelbare gevoeligheid

Resultaten en discussie

Morfologische en structurele eigenschappen

Figuur 3a, c en figuur 3b, d tonen respectievelijk SEM-afbeeldingen van ongerepte spons en in situ gepolymeriseerde spons onder verschillende vergrotingen. Het is te zien dat de onderling verbonden poreuze structuur voldoende oppervlak biedt voor de groei van PANI-nanotakken. Het composiet vertoont na polymerisatie een ruw oppervlak, terwijl de ongerepte spons glad is, wat aangeeft dat PANI-micro/nanostructuren zijn gegroeid. Onder hoge vergroting waren de PANI-nanotakken duidelijk te zien op het oppervlak van de spons. Tijdens het in situ polymerisatieproces worden, als gevolg van intrinsieke niet-uniformiteit van PANI, enkele hobbels gegenereerd in het PANI-membraan [27], en dan zouden PANI-nanotakken in situ op de sponsstructuur kunnen groeien met voldoende hechting door grensvlakcompatibiliteit. De nanogestructureerde PANI-coating helpt het composiet om zijn elektrische geleidbaarheid te verbeteren. Ondertussen maken de speciale nanotakken de composiet een groter specifiek oppervlak, zodat de composiet uitstekende eigenschappen kan vertonen in sommige contactafhankelijke toepassingen. Bovendien heeft deze PANI/sponscomposiet een interessante multihiërarchische poreuze structuur, die bestaat uit de spons met microporiën (Fig. 3b) en de PANI-takken met nanoporiën (Fig. 3d).

SEM-afbeeldingen van a , c ongerepte spons en b , d spons na in situ polymerisatie

Raman Spectra

De Raman-spectra van de ongerepte spons en PANI/sponscomposiet zijn weergegeven in Fig. 4. Volgens de karakteristieke piekposities van PANI/sponscomposiet vertonen de spectra de meeste kenmerken van PANI. De band rond 1486, 1407, 1216 en 1163 cm ⁻¹ worden toegewezen aan chinondiimine. Band 1486 cm ⁻¹ komt overeen met C=C en C=N verwante rektrillingen, band 1407 en 1216 cm ⁻¹ komen overeen met C–N rektrilling en band 1163 cm ⁻¹ komt overeen met respectievelijk C-N buigtrilling. Trouwens, de band op 1329 cm ⁻¹ staat voor C-N strekkende vibratie van fenyleendiamine. De band rond 1588 cm ⁻¹ wordt toegewezen aan C–C strektrilling (corresponderende regio is van 1550 tot 1650 cm ⁻¹ ). De resultaten bevestigen de succesvolle polymerisatie en het bestaan ​​van PANI op spons.

Raman-spectrum van ongerepte spons en spons na in situ polymerisatie

Drukgevoeligheidstest

Om de drukgevoeligheid aan te tonen, werd de weerstandsvariatie van de PANI/sponscomposiet met druk op het oppervlak onderzocht. De composiet met een 3D-formaat van 2 × 2 × 2 cm ³ werd ingeklemd tussen twee koperen elektroden (zoals weergegeven in Fig. 2), en de elektriciteit werd geregistreerd door druk uit te oefenen op de twee elektroden.

Ten eerste wordt een eenvoudige verkenning uitgevoerd door een cyclische druk-verwijderde respons (Fig. 5) van de PANI/sponssensor bij een vaste voorspanning van 5 V, en er is ongeveer 2 mm compressieve vervorming die met de vinger wordt gedwongen. Zoals getoond in Fig. 5, bereikt de stroom snel een piekwaarde bij het uitoefenen van druk, en als deze vrijkomt, kan deze onmiddellijk terugkeren naar de beginwaarde en in een goede stabiliteit blijven. Ondertussen worden de gevoeligheid en herstelbaarheid niet beïnvloed door meerdere persberichtencycli. Aan de andere kant zijn de pieken niet uniform, wat kan worden veroorzaakt door de kleine fluctuaties van compressievervormingen voor de druk van de menselijke vinger is niet absoluut uniform. Om de gevoeligheid van PANI/spons voor verschillende drukken systematisch aan te tonen, worden de elektronische weerstandsvariatieverhoudingen berekend op basis van gemeten gegevens getoond in Fig. 6 (a). Hier, ΔR /R ₀ = (R ₀ − R )/R ₀ , waar R ₀ en R duiden de weerstand in release en druk toestand. Het is te zien dat de relatieve verandering van weerstand wordt verhoogd wanneer de PANI/spons wordt ingedrukt van 0 tot 13 kPa. Verder blijkt uit de helling van kromme A de drukgevoeligheid S (S = δ (ΔR /R ₀ )/δP , waar P geven de toegepaste druk aan) [13], wat een belangrijke index is om de prestaties van een druksensor weer te geven, kan worden berekend op ongeveer 8,0 (0-8 kPa) en ongeveer 54,5 (8-13 kPa). We bevestigen dat het detectiemechanisme van PANI / sponscomposiet de verandering van de binnenste microporeuze structuur is. Hier wordt, voor een gemakkelijke bediening, de compressieafstand voorgesteld om de sterkte van de uitgeoefende drukken te karakteriseren, en de overeenkomstige relatie tussen druk en compressievervorming wordt geïllustreerd in Fig. 6 (b).

Cyclische druk-verwijderde respons van de PANI/spons met ongeveer 2 mm compressievervorming gedwongen door de vinger

A Druk-responscurve van de PANI/sponssensor en B de corresponderende relatiecurve van druk- en compressievervorming

Om het piëzoresistieve detectiemechanisme van de geleidende PANI/sponscomposiet te demonstreren, wordt een eenvoudig schematisch diagram (Fig. 7) afgebeeld om de microporeuze contactverandering van de sponsstructuur te simuleren. Met de toename van de druk worden de microporiën platgedrukt en komen ze dichter bij elkaar. In het bijzonder zou de microporeuze structuur kunnen herstellen naar de vorige toestand met het wegvallen van de druk. Hierin wordt de weerstand kleiner met de toename van de druk en kan deze na het loslaten terugkeren naar de beginwaarde. De variatie in het binnenste contact van de geleidende poreuze structuur resulteert dus in de weerstandsverandering, die de piëzoresistieve gevoeligheid genereert. Om de contactvariatie visueel te illustreren, worden SEM-afbeeldingen van een microporeuze structuur onder verschillende drukgraden getoond in Fig. 8a-d. Bovendien is er geen PANI-afschilfering bij het testen, zoals aangetoond in Fig. 8e (SEM-afbeeldingen van het composiet na meerdere drukken), de PANI-micro / nanostructuren zouden na cyclische tests voldoende hechting aan de spons kunnen behouden.

Drukgevoelig schema van PANI/sponscomposiet

SEM-beelden van microporeuze structuur van PANI/sponscomposiet onder verschillende drukken met een geschatte compressieverhouding van a 0%, b 20%, c 40%, en d 60%. e SEM-beelden van de composiet na meerdere drukken onder verschillende vergrotingen

Een druksensor moet zijn uitgerust met eigenschappen van goede stabiliteit en herstelbaarheid. Om de stabiliteits- en hersteleigenschappen aan te tonen, worden de huidige reacties op verschillende drukken onder een vaste voorspanning van 5 V getest. Zoals getoond in figuur 9a, vertoont de stroom bijna een voeringreactie op compressievervorming van 0 tot 12 mm en terug naar 0 mm; ondertussen heeft het een snelle respons en een goede stabiliteit op de stijgende en dalende druk, bovendien bestaat er slechts een kleine afwijking tussen een continue stijgende en dalende test. Er ontstaat echter een duidelijk verschil tussen 250~300 s en 320~360 s. We concluderen dat deze afwijking kan worden veroorzaakt door twee hoofdredenen. Een daarvan is dat er een hysterese-kwaliteit kan zijn wanneer het composiet plotseling wordt hersteld van de grootste vervorming. De andere is de mogelijke bedieningsfout bij het testen, wat leidt tot een grotere compressieafstand dan die in 250~300 s. Om de stabiliteit en herstelbaarheid directer te karakteriseren, toont figuur 9b de huidige reacties op laad- en losdruk met verschillende intensiteiten. Van de cirkelresponscurves, de samengestelde reacties op de drukken onmiddellijk, en de stroom zou binnen 35 s na het wegnemen van de druk volledig kunnen herstellen naar de beginwaarde. Uit figuur 9 blijkt dat de stroom toeneemt met toenemende druk en afneemt met afnemende druk, wat consistent is met het piëzoresistieve detectiemechanisme dat hierboven is geïllustreerd. Deze resultaten geven aan dat het flexibele en gevoelige PANI/sponscomposiet potentieel toepasbaar is in druksensoren, die kunnen worden gebruikt in goedkope kunsthuid en slimme kleding [13, 34, 1].

Stabiliteits- en herstelbaarheidstest van de PANI/sponssensor. een Huidige reacties op verschillende drukken met drukvervorming van 0 tot 12 mm en terug naar 0 mm. b Huidige reacties op laad- en losdruk met verschillende intensiteiten

Toepassing bij detectie van vingerbuigen

Tegenwoordig zijn goedkope druksensoren met een hoge gevoeligheid en de juiste flexibiliteit zeer wenselijk in draagbare en draagbare apparaten. Hier de eenvoudige PANI/sponssensor (2 × 1 × 0,5 cm ³ ) is bevestigd op een rubberen handschoen aan het gewricht van de wijsvinger. De stroomrespons wordt geregistreerd terwijl de tester vingerbuiging-release-bewerkingen uitvoert met de vaste voorspanning van 5 V. Verschillende cyclusstroomresponsen worden getoond in Fig. 10. De vinger buigt en laat snel los tijdens dit proces. Het valt op dat de stroom sterk toeneemt wanneer de vinger plotseling wordt gebogen. Wanneer de vinger wordt losgelaten, vertoont de stroom een ​​aanzienlijke vermindering en keert terug naar zijn oorspronkelijke waarde. De graden van elke vingerbuiging zijn niet precies hetzelfde, dus de stroompieken op elk buigpunt hebben een klein verschil. De gevoeligheid en herhaalbaarheid van de huidige reacties geven aan dat de sensor betrouwbaar is en geschikt voor flexibele detectie-apparaten in sommige goedkope draagbare en draagbare apparaten.

Huidige reacties van bewegingsdetectie bij het buigen van de vingers bij een vaste bias van 5 V

Toepassing in gassensor met instelbare gevoeligheid

PANI-composieten zijn op grote schaal onderzocht als gasgevoelige materialen vanwege hun unieke geleidingsmechanisme. De gerelateerde rapporten over op PANI gebaseerde gassensoren richten zich echter voornamelijk op een vaste of een enkele gevoeligheid. Hierin, gebaseerd op de flexibele poreuze structuur en de reactie van NH₃ moleculen met proton-gedoteerde PANI, onderzoeken we de mogelijke toepassing van PANI/sponscomposiet op instelbare gevoeligheid NH₃ gassensor. Door de binnenste contactdichtheid van de geleidende poreuze structuur te regelen (zoals getoond in Fig. 8), kunnen het diffusievolume en de snelheid van de luchtinstroom worden aangepast om het doel van instelbare gevoeligheid te bereiken. De ingeklemde PANI/spons composietsensor onder verschillende drukken werd in een gesloten doos geplaatst (met een afmeting van 30 × 30 × 30 cm ³ ) en via koperdraad in contact gebracht met het Keithley 6487-systeem voor hoge weerstandsmeters. NH₃ werd geproduceerd door de natuurlijke vervluchtiging van 1 ml ammoniakoplossing toegevoegd in doos. Afbeelding 11 toont de realtime PANI/sponscomposietreactie op binnenlucht en NH₃ , wat aangeeft dat de compressiegraad effecten heeft op de gevoeligheid van NH₃ detectie. Vanaf de huidige tijd (I -t ) krommen, is te zien dat de samengestelde weerstanden met de diffusie van NH₃ zijn duidelijk hoger dan die in de binnenlucht. Bovendien is het duidelijk dat naarmate de compressiegraad toeneemt, de composietweerstand en de responstijd op steady-state beide geleidelijk toenemen onder dezelfde NH₃ atmosfeer, wat aangeeft dat de gevoeligheid kan worden aangepast door de porositeit van het binnenste contact. Naarmate de druk toeneemt, neemt de inwendige contactdichtheid van de geleidende poreuze structuur toe, wat leidt tot een afname van zowel het diffusievolume als de diffusiesnelheid van NH₃ instroom; daarom is bij dezelfde concentratie de responstijd op NH₃ is verlengd. Bovendien neemt de initiële stroom toe met de toename van de druk als gevolg van de verminderde instroomsnelheid van NH₃ . Aan de andere kant, omdat de inhoud van NH₃ in de gesloten doos hetzelfde is, zou de stroom van de composiet uiteindelijk een kleine waarde kunnen bereiken, namelijk dedoping van PANI door NH₃ een vergelijkbaar niveau zou bereiken.

NH₃ detectie-eigenschappen van de PANI/sponscomposiet onder verschillende drukken