改性PVA/纳米银/GO柔性应变传感材料的制备及性能研究

来源 :苏州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangxinyu322
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柔性传感器能对外界各种刺激信号(如机械、温度、湿度、光学等)做出响应,将其转换为电信号,在环境监测、医疗电子和可穿戴设备等领域引起了广泛的关注。大多数的柔性传感器是通过柔性弹性体基材中加入导电材料制备而成。聚乙烯醇(PVA)是常见的柔性材料,含有大量羟基,因此有良好的成膜性和较大的拉伸强度,但同时也限制了其高倍牵伸,这使得它在长期实时监测中受到了限制。此外,金属填料在柔性材料中的掺杂量较少时会导致导电效果不佳,但过多时易在基体中团聚,导致复合材料的柔性低,限制复合材料的应用。本文采用PVA为基材,以酰胺反应为机理,采用丁二酸酐作为中间体对PVA进行改性,一端与PVA上的羟基反应,另一端与端氨基超支化聚合物(HBP-NH2)上的氨基反应,使直链高分子聚合物联结上具有类球形分子结构的超支化聚合物。研究结果表明,该合成路线可成功将HBP-NH2化学接枝到PVA上,可大大改善材料的弹性和韧性,改性后的断裂伸长率高达341.62%,远高于未改性前的144.23%,循环拉伸测试表现出良好的抗疲劳性和恢复性。利用HBP-NH2上的氨基通过静电或者络合作用吸附银离子并还原,实现纳米银颗粒的可控生成。研究表明,HBP-NH2封端程度越高,即伯氨基的数量越少,生成的纳米银颗粒大小较不均匀且越容易发生团聚,导电性能随之变差。因此选用未封端HBP-NH2还原纳米银/改性PVA膜制成薄膜应变传感器探究其作为柔性应变传感器的性能。改性PVA/纳米银薄膜的亲水性能显著提高,在高湿阶段显示出较好的湿敏感性能。随着拉伸应变的增加,表现出良好的电-机械性能,在循环拉伸过程中,表现出较好的拉伸重复性,快速反应能力以及良好的稳定性,因此用作柔性应变传感器,监测人体在不同行为的相对电阻变化时表现出较好的弯曲重复性和稳定性。为进一步发挥应变传感器的传感性能,添加二维氨基化氧化石墨烯(GO)与改性PVA反应,作为柔性聚合物基体,并将其为模板,生成零维纳米银粒子与二维GO共同作用作为导电填料形成一种填充型薄膜应变传感器。改性PVA/纳米银/GO薄膜在高湿阶段显示出较好的湿敏感性能。随着拉伸应变的增加,表现出良好的电-机械性能,且在循环拉伸过程中,表现出较好的拉伸重复性,快速反应能力以及良好的稳定性,因此用作柔性应变传感器时,能够测定人体手指和手腕运动的电信号,表现出较好的弯曲重复性和稳定性。
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