Snelle fabricage van hiërarchisch poreuze polyaniline/polyurethane spons-composieten voor flexibele druk- en afstemmbare gassensoren

Samenvatting

We presenteren een kosteneffectieve, in-situ polymerisatie-route om een multi-hiërarchisch poreus polyaniline (PANI)-composiet op een commerciële polyurethaan-spons te produceren. Het spons-scaffold biedt een gigantisch onderling verbonden oppervlak dat de groei van PANI-nanotakkjes vergemakkelijkt, wat een flexibel, hoog-oppervlakte-composiet oplevert. Als piezoresistieve druksensor geassembleerd, vertoont het materiaal snelle respons, uitstekend herstelvermogen en een drukgevoeligheid die stijgt van 8,0 kPa⁻¹ bij lage drukken tot 54,5 kPa⁻¹ boven 8 kPa. Daarnaast fungeert hetzelfde composiet als gassensor wiens gevoeligheid voor NH₃ afgestemd kan worden door de toegepaste druk te variëren, dankzij de aanpasbare interne poredichtheid. Dit werk demonstreert een gemakkelijke, laag-kost methode voor het fabriceren van multifunctionele sensoren met eenvoudige signaalverzameling.

Achtergrond

Flexibele sensoren – omvattend druk, rek, gas, temperatuur en verplaatsing – zijn cruciaal voor de volgende generatie draagbare en vouwbare apparaten. Echter, hun fabricage vereist vaak dure, multi-staps processen. Driedimensionale (3D) sponsor, met name polyurethaan-varianten, zijn aantrekkelijke alternatieven vanwege hun elasticiteit, hoge specifieke oppervlakte, lage dichtheid en goedkope productie. Gecombineerd met conductieve vullers, zijn sponsor gebruikt in druksensors, supercondensatoren en olie-absorberende materialen. Conductieve polymeren, met name polyaniline (PANI), zijn voordelig voor sensoren door hun intrinsieke elektrische geleiding, mechanische robuustheid en grote oppervlakte. PANI kan gesynthetiseerd worden via doping of in-situ polymerisatie, waarbij de laatste een meer schaalbare en effectieve route biedt.

Piezoresistieve druksensoren converteren mechanische vervorming in weerstandsveranderingen en zijn gewaardeerd om hun eenvoudige ontwerp en lage kosten. Het sensorisch principe berust op de modulatie van contact-paden binnen het conductieve netwerk. Voor gassensing wordt PANI's geleiding gemoduleerd door protonerings/doping-veranderingen bij interactie met alkalische gassen zoals NH₃, wat het aantal ladingdragers vermindert en de weerstand verhoogt.

In deze studie benutten we in-situ polymerisatie om een poreus PANI-netwerk op een polyurethaan-spons te laten groeien, wat een composiet oplevert dat simultaan fungeert als hoogpresterende druksensor en afstelbare-gevoeligheid NH₃-gassensor.

Methoden

Materialen

Ammoniumpersulfaat (APS, M_w = 228,20 g mol⁻¹), 5-sulfosalicylzuur (SSA, M_w = 254,22 g mol⁻¹) en aniline (M_w = 93,13 g mol⁻¹) werden bezorgd van Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Commerciële polyurethaan-spons (Domaxe, China) werd gebruikt als scaffold.

Bereiding van PANI/spons-composiet

De polymerisatiemengsel werd bereid door 2,5422 g SSA en 1,8626 g aniline op te lossen in 50 mL gedemineraliseerd water, gevolgd door magnetisch roeren gedurende 20 min. De spons werd vervolgens gedoopt, en 4,5640 g APS opgelost in 50 mL gedemineraliseerd water werd langzaam toegevoegd om homogene menging te waarborgen. De reactie werd uitgevoerd bij 2 °C gedurende 24 uur. Na wassen met gedemineraliseerd water om residuele monomeren en oxidant te verwijderen, werd het monster gedroogd bij kamertemperatuur gedurende 48 uur. Het resulterende PANI/spons-composiet vertoonde een kleurverandering van geel naar donkergroen, en de PANI-lading was ~35 wt% (bepaald door gewichtsverschil).

Sensor-assemblage

Een 2 × 2 × 2 cm³ PANI/spons-composiet werd ingesloten tussen twee koperen elektroden (koperen blad). Koperen draden werden gesoldeerd op de elektroden en aangesloten op een Keithley 6487 hoge-weerstand-meter voor elektrische metingen.

Karakterisering

Scanning elektronenmicroscopie (SEM, JEOL JSM-7500F) en Raman-spectroscopie (Renishaw inVia Plus, 532 nm laser) werden gebruikt om morfologie en structuur te onderzoeken. Elektrische eigenschappen werden gemeten met een Keithley 6487 systeem.

Resultaten en discussie

Morfologische en structurele eigenschappen

SEM-afbeeldingen onthullen dat de pristine spons een glad, onderling verbonden poreus framework vertoont, terwijl de PANI-beklede spons een ruw oppervlak toont dicht bedekt met nanotakkjes. De genanostructureerde PANI-bekleding verhoogt het composiet's specifieke oppervlakte en verbetert de elektrische geleiding. Het composiet bezit een multi-hiërarchische poriën-architectuur bestaande uit microporen van de spons en nanoporositeit geïntroduceerd door de PANI-takkjes.

Raman-spectroscopie

Het Raman-spectrum van het composiet toont karakteristieke PANI-pieken bij 1486, 1407, 1216 en 1163 cm⁻¹, overeenkomend met C=C/C=N-rekking, C–N-rekking en C–N-buiging, respectievelijk. Een band bij 1588 cm⁻¹ bevestigt C–C-rekking. Deze kenmerken bevestigen succesvolle polymerisatie van PANI op het spons-scaffold.

Drukgevoeligheidstest

Bij cyclische druk daalt het composiet's weerstand scherp met toegepaste belasting en herstelt direct bij vrijgave. De relatieve weerstandsverandering (ΔR/R₀) stijgt van 0 tot 13 kPa, met een gevoeligheid van 8,0 kPa⁻¹ in het 0–8 kPa bereik en 54,5 kPa⁻¹ in het 8–13 kPa bereik. Het sensorisch mechanisme wordt toegeschreven aan de compressie-geïnduceerde reductie van contactweerstand binnen het poreuze netwerk.

Stabiliteit en herstelvermogen

Onder continue belasting-ontlastingscycli tot 12 mm compressie vertoont de sensor lineaire stroom-druk-respons, snel herstel binnen 35 s en verwaarloosbare hysteres, wat uitstekende duurzaamheid demonstreert geschikt voor draagbare toepassingen.

Vingerdetectie

Een 2 × 1 × 0,5 cm³ sensor gemonteerd op een rubber handschoon volgt nauwkeurig vingerbuiging en vrijgave, met duidelijke, herhaalbare stroompieken die correleren met buiggebeurtenissen, wat de geschiktheid voor zachte robotica en menselijke-bewegingsmonitoring benadrukt.

Afstelbare gevoeligheid gassensor

Door de pre-compressie van het composiet in een afgekamerde kamer te variëren, kan de NH₃-detectiegevoeligheid afgestemd worden. Hogere compressie verlaagt poriënvolume en diffusiesnelheid, wat leidt tot langere responstijden en lagere steady-state stromen. Dit controleerbare gedrag voortvloeit uit de aanpasbare interne contactdichtheid, wat een eenvoudige manier biedt om gassensor-prestaties af te stemmen.

Conclusies

We hebben een gemakkelijke, schaalbare methode gedemonstreerd om een hiërarchisch PANI/PU-spons-composiet te fabriceren dat fungeert als een hoge-gevoeligheid, laag-kost druksensor en een afstelbare NH₃-gassensor. De flexibele, poreuze architectuur levert snelle respons, uitstekend herstelvermogen en afstelbare gassensing-prestaties, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor next-generatie draagbare en portable sensortoepassingen.