Elektrisch geleidende nanovezelcomposiet van TPU met hoge rekbaarheid voor flexibele reksensor

Resultaten en discussie

Kenmerken van nanovezelmembraan

Pure nonwoven TPU mat heeft een hoge elasticiteit. Na in situ polymerisatie van PANI heeft de composiet een goede geleidbaarheid, goede rekbaarheid en hoge elasticiteit. Deze eigenschappen voldoen aan de eisen van rekbare apparaten, zoals draagbare apparaten [9, 10], huidachtige sensor [9] en microfluïdische apparaten [18]. Na de polymerisatie verandert het nanovezelmembraan van wit in diepgroen (Fig. 2a, b). Op de SEM-beelden van de membranen kunnen we zien dat het oppervlak van PANI/TPU-vezels (Fig. 2d) bedekt is met PANI-deeltjes (Fig. 2d).

Morfologie en structuur van TPU en PANI/TPU-membraan. een , b Optische beelden van puur TPU-nanovezelmembraan en PANI/TPU-nanovezelmembraan. c , d SEM-afbeeldingen van puur TPU-nanovezelmembraan en PANI/TPU-nanovezelmembraan

Afbeelding 3 toont de FTIR-spectra van puur TPU en PANI/TPU-nanovezelmembraan. De FTIR-spectra van TPU geven de N–H-absorptie van carbaminezuurester aan bij 3326 en 2955 cm ⁻¹ . De banden op 1700 en 1527 cm ⁻¹ zijn consistent met dissociatieve C=O van amino of carbaminezuur. In de spectra van de PANI/TPU, de nieuwe 3250 cm ⁻¹ absorptieband wordt toegewezen aan N–H rektrilling van –C₆ H₄ NHC₆ H₄ – van PANI, en de C=C-trilling van aroma verschijnt op 1514 cm ⁻¹ [19, 20]. Deze banden duiden op het bestaan ​​van PANI.

FTIR-spectra van TPU- en PANI/TPU-nanovezelmembranen

Rekbaarheids- en gevoeligheidstest

Het composiet nanovezelmembraan wordt gekenmerkt door een goede elasticiteit en hoge rekbaarheid, en de geleidbaarheid verandert met rekken, namelijk het PANI/TPU nanovezelmembraan zou kunnen worden gebruikt in spanningssensoren. Afbeelding 4a toont de I -V kenmerken van de PANI/TPU-sensor met verschillende spanningen. De ik -V curven van PANI/TPU-sensor hebben een goede lineaire relatie. Van de ik -V kenmerken van de sensor, is te zien dat de PANI/TPU-sensor een belasting tot 165% kan verdragen. Met name de stroom neemt geleidelijk af naarmate de spanning van de sensoren toeneemt. Afbeelding 4b toont de huidige respons van een continue belasting variërend van 0 tot 160% van de PANI/TPU-sensor. Uit de huidige reactie op de continue belasting kunnen we zien dat de sensor een goede stabiliteit heeft. Het PANI/TPU-nanovezelmembraan heeft een beter mechanisch karakter dan een gerapporteerd patroon van PVDF-nanovezelmembraan [21]. Het werkingsprincipe van de gefabriceerde Ag / alginaat-nanovezels voor druksensoren wordt schematisch geïllustreerd in Fig. 4c, d.

Rekbaarheidstest en schematisch diagram van de PANI/TPU-membraansensor. een Ik -V krommen van PANI/TPU-membraan onder verschillende stammen. b Huidige reacties van PANI/TPU-membraan op verschillende spanningen onder een vaste bias van 5 V. c Vezels zonder belasting. d Vezels onder spanning

Naast deze elektrische eigenschappen zijn ook de mechanische eigenschappen van pure TPU- en PANI/TPU-nanovezelmembranen bestudeerd, zoals de spanning-rekreacties weergegeven in Fig. 5. Uit de spanning-rekcurves weten we dat puur TPU-membraan kan worden uitgerekt tot ongeveer 200% en het PANI/TPU-membraan is ongeveer 165%. De volledige spanning-rekcurve van PANI/TPU-nanovezelmembraan kan in drie gebieden worden verdeeld:(1) 0-19% is het elastische gebied, waar de vervorming herstelbaar is; (2) 19-140% is het plastische gebied, waarin de vervorming nooit zou worden hersteld; en (3) het derde gebied is de rek bij breuk die ongeveer 165% is. Uit Fig. 5 kunnen we zien dat de treksterkte van het PANI/TPU-membraan toenam tot 1,93 MPa, vanwege de aanwezigheid van PANI dat bros van aard is, maar een afname van de rek bij een breuk van 165% vergeleken met die van TPU nanovezelmembraan [22].

Spanningscurves van TPU- en PANI/TPU-nanovezelmembranen

Zoals bekend is de meetfactor (GF) een typische prestatie-index van een reksensor en wordt deze gedefinieerd als (dR /R _uit )/ɛ wat de verhouding betekent van relatieve verandering in elektrische weerstand (dR /R _uit ) tot de mechanische belasting ɛ . Het vertoont de gevoeligheidsverandering van de sensor voor spanning. R _uit is de weerstand van de sensor in de formule, en dR is de verandering van de weerstand van de sensor [18, 21]. Afbeelding 6a toont de relatieve weerstandsverandering van de sensoren. Toen de sensor tot 120% werd uitgerekt, begonnen vezels te breken. De breuken resulteren in de grotendeels grotere afstand tussen geleidende deeltjes, en dus heeft de weerstand een grote verandering van 120 tot 150%. Figuur 6a geeft aan dat de reksnelheid van het PANI/TPU-membraan varieert van 0% tot 150%. De GF is ongeveer 6.7252 van 0 tot 120% en ongeveer 49.5060 van 120 tot 150%. De gegevens verkregen uit de experimenten tonen aan dat de PANI/TPU-sensor een goede gevoeligheid heeft. In vergelijking met andere rapporten is de GF lager dan sommige geavanceerde ultradunne op silicium gebaseerde spanningssensoren (GF is ongeveer 200), PEDOT:PSS/PVA-films [23] en die spanningssensoren die zijn vervaardigd door een enkele anorganische nanobuis en nanodraad [ 24,25,26]. De gevoeligheid is echter beter dan die van PANI/PVDF-sensoren (GF is ongeveer 1) [21].

Stabiliteits- en duurzaamheidstest van de PANI/TPU-membraansensor. een Relatieve veranderingen in weerstand van de PANI/TPU-membraansensor onder verschillende spanningen. b Stabiliteitstest onder een vaste rek van 30,7%. c A is de I -V curve in de beginfase, en B is de I -V curve na 100 keer uitrekken tot 30,7% en 24 uur geplaatst. d A is de I -V curve in de beginfase, en B is de I -V curve na 1000 keer buigen en 24 uur geplaatst

Alleen deze eigenschappen zijn niet genoeg. Een goede reksensor moet zijn uitgerust met een goede stabiliteit en duurzaamheid, wat inhoudt dat de sensor lange tijd kan werken zonder significante regressie na verschillende elastische vervormingen. Om de stabiliteit te meten, hebben we de respons-herstelcurve onderzocht onder een vaste spanning van 30,7%, en het resultaat wordt getoond in Fig. 6b. Hier neemt de stroom af met trekspanning en herstelde de stroom zich bijna tot de beginwaarde. En dan zou de curve dezelfde cirkel kunnen herhalen onder 30,7% mechanische druk, wat suggereert dat onze sensor een goede herhaalbaarheid had. In praktische toepassingen is duurzaamheid een belangrijke parameter [18]. Om toegang te krijgen tot het uithoudingsvermogen van de sensor, hebben we de uitgangssignalen onderzocht onder 100 keer cyclisch uitrekken en deze 24 uur op kamertemperatuur geplaatst. De resultaten worden getoond in Fig. 6c. Kromme A vertegenwoordigt de originele I -V kenmerk van de sensor zonder enige rek, en curve B is de I -V kenmerk van de sensor die 100 keer werd uitgerekt en 24 uur werd gezet. Het functiemechanisme van de geleidbaarheidsreactie kan te wijten zijn aan de breuk en het vallen van het PANI-cluster of de scheiding van PANI-deeltjes waardoor de geleidbaarheid afneemt. Afbeelding 6d laat zien dat de I -V kenmerk na 1000 keer buigen heeft bijna geen verandering in vergelijking met de beginwaarde. De resultaten geven aan dat de sensor wordt gekenmerkt door een goede duurzaamheid.

Een goede sensor zou weinig moeten reageren op de verandering van omgeving. Naast trekkracht moet het als draagbaar apparaat ook vrij kunnen worden gebogen. Hierin, om de buigbare karakteristiek te demonstreren, detecteren we de uitgangssignalen ervan onder verschillende krommingen. Om de buigbaarheid van de sensor te testen, gebruikt de I -V kenmerken worden geschat wanneer het is gefixeerd op items met verschillende krommingen. Zoals weergegeven in Afb. 7a, verschijnen er slechts kleine veranderingen wanneer de kromming verandert van 0 tot 0,4 mm ⁻¹ , wat suggereert dat de sensor kan worden aangepast aan verschillende niet-planaire werkomgevingen. Bovendien hebben we, om de temperatuurafwijking te bepalen, de I . getest -V kenmerken van de sensor onder verschillende temperaturen. Afbeelding 8 toont de I -V krommen bij verschillende temperaturen. Wanneer de temperatuur verandert van 240 naar 300 K, neemt de weerstand een bescheiden en regelmatige afname van 2,9697 tot 1,6025 kΩ, en met name is er slechts een kleine storing (0,0556 kΩ) wanneer de temperatuur verandert van 300 naar 360 K. De sensor zou kunnen blijven goede geleidbaarheid. Het resultaat geeft aan dat hoewel de elektrische geleidbaarheid enigszins verandert, de sensor onder verschillende temperaturen een goede geleidbaarheid kan behouden. De resultaten bevestigden dat de sensor normaal zou kunnen werken onder verschillende omgevingstemperaturen. Afbeelding 7b toont het apparaat voor het meten van de stromen onder verschillende krommingen van de sensor.

een Ik -V krommingen van de PANI/TPU-membraansensor onder verschillende krommingen. b Optische beelden tijdens de test van I -V kenmerken onder verschillende krommingen

Ik -V curven van de PANI/TPU-membraansensor bij verschillende temperaturen

Toepassing in detectie van vingerbuigen

We gebruikten vingerbewegingen om de beweging van de mens te simuleren. Afbeelding 9a laat de typische responscurve van de sensor zien. We hebben getest op bijna 2000 keer vingerbuigen en er worden slechts zeven cycli getoond, en Fig. 9b is de foto van de sensor voor detectie van vingerbewegingen (met een belasting van 1%). Het elektrische transport van de sensor werd beïnvloed door de externe kracht. Wanneer de vinger werd gebogen, sprongen de stromen naar het maximum, het maximum bleef terwijl de vinger bleef buigen, en daarna terug naar de oorspronkelijke waarde na het ongedaan maken. Uit de in de tijd opgeloste stroomrespons kan worden gezien dat de sensor een goede respons en herstelbaarheid heeft op externe kracht. Tegenwoordig is er een toenemende belangstelling voor draagbare biosensoren [27], die kunnen worden gebruikt om een ​​reeks biosignalen te detecteren, zoals bloeddruk [28] en polspulsen [29] en die kunnen worden gebruikt om gewrichts- en spierbewegingen te volgen [30] . Er zijn veel rapporten over dit soort sensoren die ze in slimme kleding plaatsen of rechtstreeks op de huid bevestigen om menselijke beweging te detecteren [9, 30,31,32], vanwege de lage kosten, het lichte gewicht en de goede gevoeligheid [29] ]. Hierin, op basis van de bovengenoemde testresultaten, vertonen onze reksensoren potentiële toepassingen in draagbare apparaten. De goede gevoeligheid, het lichte gewicht en de goedkope eigenschappen van de sensor laten zien dat er veel potentiële toepassingen zijn, zoals in de gezondheidszorg en in multifunctionele intelligente ruimten [9, 10, 32].

een Actuele reacties van de vingerbeweging en foto's van de draagbare PANI/TPU-membraansensor. b Optische beelden van de vingerbewegingstest

De sensor hoeft niet te vertrouwen op een ingewikkeld meetsysteem voor elektrische eigenschappen, een eenvoudige zelfknipperende LED werd gebruikt om de karaktertaak te vervullen. Afbeelding 10a₁ –a₄ laat zien dat de LED normaal licht kan geven wanneer de flexibele geleider van het PANI/TPU-membraan verschillende krommingen heeft (0, 0,1, 0,05 en 0,033 mm ⁻¹ respectievelijk). Afbeelding 10b₁ –b₄ vertoont een grotere lichtverandering bij uitrekken (respectievelijk 0, 20, 40 en 60%). De helderheid van de LED wordt gedimd met de toenemende spanning van het PANI/TPU-membraan. Door helderheidsvariaties van het LED-licht kunnen we de status van de sensor kennen, wat van toepassing is in situaties waar ruimtebeperking bestaat.

Flexibele geleider van het PANI/TPU-membraan in gesloten circuit. een Zelfknipperende LED's kunnen normaal licht geven wanneer de flexibele geleider van het PANI/TPU-membraan verschillende krommingen heeft. b Zelfknipperende LED-dimming met trekspanning van PANI/TPU-membraan

De sensor is gevoelig en goed rekbaar, en figuur 10 geeft aan dat het PANI/TPU-nanovezelmembraan kan worden gebruikt als een flexibele geleider die op een flexibel scherm kan worden aangebracht en aan kleding kan worden bevestigd om de menselijke gezondheid te detecteren [33].