基于导电高分子的柔性压阻材料表面微结构的构筑和性能研究

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柔性压阻材料是指能够自由弯曲、扭曲、折叠甚至拉伸,并将外部机械应力转化为电阻(抗)信号的一种柔性导电复合材料。为了克服传统导电填充型柔性压阻材料灵敏度低、响应慢、迟滞严重以及稳定性差的问题,互锁结构柔性压阻材料(Interlocking structural Flexible Piezoresistive Sensing Materials,IFPSM)被广泛研究。其机理是利用互锁表面的微结构在受力时导电接触面积或接触点的变化实现对压力的检测。因此,表面微结构的类型、尺寸以及层级是压阻性能的关键影响因素。当前,表面微结构大多通过光刻等微纳加工和植物模板转印实现;其难以实现微结构在纤维等曲面的制备和尺寸的调节。为此,本论文围绕制备高灵敏的柔性压阻材料,在一维(纤维)、二维(膜)基体及多孔材料表面构筑尺寸可调的导电高分子微结构,同时研究微结构尺寸与IFPSM灵敏度的关系。针对纤维表面微结构构筑及尺寸调控的难题,采用溶胀诱导聚氨酯(TPU)膨胀及原位聚合的方法在其表面构建了波长为1.2-10.2μm的二维聚吡咯褶皱结构。该工艺实现了在极细(<50μm)和较粗(>500μm)的纤维表面上构筑尺寸可调的导电褶皱。所制得的柔性压阻材料的褶皱尺寸越小灵敏度越高;当褶皱波长为1.2μm时,灵敏度可达0.4 kPa-1,响应时间小于53 ms,使用稳定性高于4000次。同时,单根导电纤维不具备压阻效应,IFPSM随压力的电阻变化全部来源于互锁微结构导电接触点数量的变化。以工业砂纸作为模板,构筑了表面粗糙度可调的聚氨酯薄膜(Ra介于10-45μm);再通过溶胀-原位聚合的方法在粗糙表面引入波长为0.5μm的聚吡咯导电褶皱,制得了具有粗糙层级表面微结构薄膜。通过与柔性叉指电极互锁构筑了“桥接”型IFPSM,粗糙度越大,灵敏度越高。Ra为45μm的粗糙层级薄膜构筑的IFPSM对压力的的灵敏度最大可达6.1 kPa-1(0-2 kPa),使用稳定性大于3500次,响应和松弛时间分别为18 ms和35 ms。同时,电阻随压力在5 kPa以内均达到“饱和”状态,且不同粗糙程度下的“饱和”电阻基本一致。因此,其灵敏度由起始电阻决定。采用有机/水界面聚合的方法制备了长度约为1μm,直径约为50 nm的高比表面积(105 m2/g)聚苯胺纳米纤维;并通过“浸渍-干燥”工艺将其负载在直径为10μm的棉纤维无纺布上,构建了致密、均一、稳定的多孔层级导电网络结构,制备了一种具有压敏和气敏功能的双重传感材料。该多孔层级结构既保证了足够的气体逸散通道和吸附比表面积,也确保形成了足够的可变导电接触点。研究聚苯胺纳米纤维负载量对压敏、气敏性能的影响发现,压敏最佳负载量在导电“渗流阈值”附近(0.36 wt%);而气敏灵敏度随负载量提高而升高。为了解决负载量的矛盾,利用多片负载量在渗流阈值附近的传感薄膜组装成了多层互锁IFPSM,该多层互锁结构能够同时提高压敏和气敏性能。其中,5层互锁结构的传感材料其压敏灵敏度达0.89 kPa-1,气敏灵敏度达18.8(50 ppm NH3)。实现了气敏和压敏性能的同时提高。
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