聚氨酯基柔性应变传感器的制备与性能研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ggg_0907
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压阻型柔性应变传感器以其轻便、柔韧、可携带、成本低、灵活等优点,在软件机器人、智能纺织品、人体运动健康监测及可穿戴电子设备等领域受到广泛关注。通过向聚合物弹性体中引入导电纳米粒子构建导电网络是制备压阻型应变传感器的通用策略之一,然而由于导电粒子在柔性聚合物基体中易团聚,导致导电网络分布不均,且相邻纳米颗粒之间缺乏相互作用,当施加应变/释放循环时,分离的导电纳米颗粒数量增加,从而导致导电网络的电阻不可逆地增加,导致其传感性能及循环稳定性差。制备兼具灵敏度和循环稳定性的柔性应变传感器必须在结构设计上有所创新。针对以上情况,本实验引入静电纺丝纳米纤维膜做为柔性应变传感器的基体,静电纺丝膜具有一定的孔隙,可以为导电粒子的均匀分散提供载体,此外通过超声浸渍的方法可以进一步实现导电粒子在电纺膜上均匀分布,为了防止导电粒子在基体上发生脱落等情况,我们将浸渍了导电粒子的复合电纺膜进行多层热压,使基体与导电粒子结合更紧密,同时进一步使导电粒子均匀分散。本实验通过静电纺丝法制备了不同质量分数的热塑性聚氨酯(TPU)纳米纤维膜,通过SEM观察可以发现,当TPU质量分数在10wt%时,电纺膜表面呈现串珠形貌,且存在明显的纤维粘连,当TPU的质量分数为13wt%时,电纺膜表面形貌良好,纤维直径分布均匀,直径约2μm,纤维膜孔隙均匀,为导电粒子的均匀分散提供了保障,当TPU质量分数为17wt%时,样品纤维直径分布范围变宽,呈现明显的多分散性。利用多元醇还原法制备了尺寸均一的银纳米线(Ag NWs),分别以Ag NWs和碳纳米管(CNTs)作为构筑传感网络的导电粒子制备柔性传感器。通过超声浸渍法分别将Ag NWs和CNTs复合在TPU质量分数为13wt%的静电纺丝膜上构筑以电纺膜为载体的导电网络。将多层上述复合导电纳米纤维膜叠合后进行热压处理制备传感器中间导电层,导电层上下两侧通过热压纯TPU电纺膜,并在两端连接导线制备具有“三明治”结构的柔性传感器。通过万能拉伸试验机联合数字源表对“三明治”复合结构在拉伸-回复循环过程中的传感性能进行表征。研究Ag NWs和CNTs含量对应变传感器各项性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对Ag NWs、CNTs、TPU静电纺丝膜形貌等进行表征。研究结果显示:多元醇还原法成功制备出纯度较高,呈现面心立方结构的Ag NWs,长度约为12μm,直径约60nm,长径比在200左右。TPU静电纺丝膜具有均匀的孔隙,良好的弹性和拉伸恢复性,Ag NWs和CNTs在电纺纤维膜孔隙内形成分布均匀,相互搭接良好的导电网络。多层热压工艺制备的“三明治”结构传感器具有优良的传感性能,以Ag NWs和CNTs做为导电粒子时,柔性应变传感器电阻在拉伸过程中均随形变线性增加,且线性度良好。当ε=0-15%时,以Ag NWs为导电粒子制备的传感器,其灵敏度(GF)随应变增大而增大,当ε在15%后趋于稳定,GF保持在8左右,并且经过多次循环依然可以保持良好的性能。以CNTs做为导电粒子时,传感器的电阻/形变变化趋势与银纳米线做导电粒子时基本相同,当应变在5%后灵敏度趋于稳定,GF系数稳定在6左右,对比两者,可以发现以Ag NWs做为导电粒子制备的传感器具有更高的灵敏度,另外,对比本实验制备的多层热压“三明治”结构传感器和与传统PDMS封装的“三明治”结构传感器可以发现,本实验所制备的传感器性能具有更加优异的循环稳定性。
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