Hoog rekbare, elektrisch geleidende TPU-PANI nanovezel-membraan voor geavanceerde flexibele rek-sensoren

Samenvatting

We hebben een thermoplastisch polyurethaan (TPU) nanovezel-composiet ontwikkeld, functioneel in situ met polyaniline (PANI) via electrospinning, om een flexibele rek-sensor te creëren die rekken tot 165% kan doorstaan met snelle respons en lange-termijn stabiliteit. Het composiet behoudt consistente geleiding over een breed temperatuurbereik en past zich aan niet-planaire oppervlakken aan, wat een goedkope, schaalbare route biedt naar hoogpresterende draagbare sensing en geleidende substraten.

Achtergrond

Nanovezel-membraan worden gewaardeerd voor hun grote specifieke oppervlakte, hoge porositeit, elasticiteit en superieure mechanische eigenschappen, wat ze aantrekkelijk maakt voor weefsel-scaffolds, beschermende kleding, geneesmiddel-afgifte systemen en elektronische apparaten [1–10]. Onder fabricagetechnieken staat electrospinning uit door zijn eenvoud, betaalbaarheid en veelzijdigheid in het produceren van non-woven matten [11–15]. Echter, het bereiken van elektrische geleiding in dergelijke membranen vereist doorgaans het incorporeren van geleidende polymeren of koolstof-gebaseerde halfgeleiders. Polyaniline (PANI) biedt hoge geleiding maar lijdt onder beperkte elasticiteit door zijn polaire ruggengraat [16]. Thermoplastisch polyurethaan (TPU) biedt uitstekende rekbaarheid en slijtvasteheid [17]. Door TPU te combineren met PANI via in-situ polymerisatie, streven we ernaar PANI's broosheid te overwinnen terwijl de hoge elasticiteit van TPU behouden blijft, waardoor een composiet ontstaat geschikt voor draagbare rek-sensoren en rekbare geleiders.

Experimenteel

Bereiding van PANI/TPU Nanovezel-membraan

De fabricatie verloopt in drie stadia. Eerst wordt een TPU-oplossing bereid door 2,4 g TPU op te lossen in 8,8 g N,N-dimetylformamide (DMF) en 8,8 g tetrahydrofuraan (THF), daarna 5 uur roeren tot homogeniteit. Electrospinning wordt uitgevoerd bij een 10–12 cm naald-collector afstand, 12 kV en 15 µL min⁻¹ voedsnelheid, met een rolcollector om uniforme dikte te bereiken. De resulterende TPU-mat wordt vervolgens aan PANI-polymerisatie onderworpen: 4,6 g ammoniumpersulfaat (APS) wordt opgelost in 50 mL gedemineraliseerd water (oplossing A); 1,875 g aniline en 2,54 g sulfosalicylzuur (SSA) worden opgelost in 50 mL DI-water (oplossing B). De TPU-membraan (10 cm × 10 cm) wordt gedompeld in oplossing B, gevolgd door langzame toevoeging van oplossing A tijdens roeren bij kamertemperatuur gedurende 30 min. Na 12 uur bij 275 K wordt de membraan gewassen, 48 uur bij kamertemperatuur gedroogd, en wordt het groene PANI/TPU-composiet.

Sensor-assemblage

De sensor wordt geproduceerd door een 1 cm × 2 cm × 0,05 cm composiet-membraan in te sluiten tussen twee PDMS-films (1,5 cm × 3 cm × 0,05 cm) om de vezels te beschermen. Koper-leidingen worden gelijmd met zilverpasta, en de actieve breedte is 15 mm met een 1,5 mm elektrodespacing. Zie het schematische hieronder.

Karakterisatie wordt uitgevoerd met optische microscopie (Olympus BX51), SEM (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), een dynamische mechanische analyzer (TA Q‑800), een Keithley 6485 hoge-weerstandmeter en een PPMS (Quantum Design) voor temperatuur-afhankelijke studies.

Resultaten en Discussie

Morfologie en samenstelling

De onberichte TPU-mat vertoont een uniform, hoog-elastisch vezelnetwerk. Na polymerisatie kleurt de membraan diep groen (Figuur 2a,b) en onthult SEM PANI-deeltjes die de vezeloppervlakken decoreren (Figuur 2d). FTIR-spectra bevestigen de aanwezigheid van PANI: nieuwe banden bij 3250 cm⁻¹ (N–H-rekking) en 1514 cm⁻¹ (C=C aromatisch) verschijnen in het composiet, afwezig in zuiver TPU (Figuur 3).

Rekbaarheid en gevoeligheid

De PANI/TPU-sensor vertoont uitstekende elasticiteit, tolererend rekken tot 165% terwijl lineaire I-V-kenmerken behouden blijven (Figuur 4a). Stroom neemt geleidelijk af met toenemende rek, wat een instelbare weerstand aangeeft geschikt voor rek-sensing (Figuur 4b). Mechanische testen tonen aan dat de composiet's spanning-rek-kromme bestaat uit een elastisch gebied (0–19 %), een plastisch plateau (19–140 %) en een uiteindelijke breuk bij ~165 % (Figuur 5). De trekkracht stijgt tot 1,93 MPa ten opzichte van alleen TPU, hoewel rek bij breuk iets afneemt door de broze aard van PANI.

De gauge factor (GF) wordt berekend als GF = (ΔR/R₀)/ε. Het composiet toont een GF van 6,73 in het elastische regime (0–120 %) en 49,51 in het plastische regime (120–150 %), wat hoge gevoeligheid aangeeft, met name vergeleken met PANI/PVDF-sensoren (GF ≈ 1) [21] en superieur aan veel polymere sensoren, hoewel lager dan ultradun silicium of PEDOT:PSS/PVA-films.

Stabiliteitstesten onder constante 30,7 % rek tonen nabij-perfecte herstel van stroom over tijd, wat uitstekende herhaalbaarheid bevestigt. Uithoudingstesten over 1000 cycli tonen verwaarloosbare verandering in I-V-kenmerken, wat duurzaamheid bevestigt.

Buigbaarheid en temperatuurstabiliteit

Bij buigen op substraten met kromming van 0 tot 0,4 mm⁻¹ varieert de I-V-respons minimaal (Figuur 7a), wat geschiktheid voor niet-planaire toepassingen bewijst. Temperatuurcycli van 240 K tot 360 K resulteren in slechts bescheidene weerstandsveranderingen (2,97 kΩ tot 1,60 kΩ), wat robuuste prestaties over typische omgevingstemperatuurreeksen aangeeft (Figuur 8).

Vingermovatie-detectie

De hoge gevoeligheid van de sensor maakt detectie van vingervoeding en loslaten mogelijk. In een 2000-cyclustest piekt de stroom scherp bij buigen en keert terug naar basislijn bij loslaten (Figuur 9a). Een eenvoudige LED-schakeling demonstreert real-time visuele feedback: de LED behoudt helderheid bij milde buiging en dimt met toenemende trekkracht, wat een lage-complexiteit weergave van de rektoestand biedt (Figuur 10).

Conclusies

We hebben een eenvoudige, goedkope fabricageroute gedemonstreerd voor een hoog rekbare, elektrisch geleidende TPU-PANI nanovezel-composiet. De resulterende rek-sensor detecteert betrouwbaar rekken tot 165% met snelle, herhaalbare respons, behoudt geleiding over een breed temperatuurvenster en kan geïntegreerd worden in draagbare of flexibele elektronische systemen. Het lichte gewicht, de lage kosten en de robuuste prestaties maken het een aantrekkelijk platform voor next-generation draagbare biosensing en flexibele schakelingen.

Afkortingen

DI-water

Gedemineraliseerd water

PANI

Polyaniline

TPU

Thermoplastisch polyurethaan