基于褶皱纳米纤维膜的弹性电子器件制备与性能研究

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现代社会的高速发展带动了一批又一批新兴科技的崛起,其中人体健康领域技术的研究更是成为了人们关注的重点。随着人民生活品质的提高,对于自身的健康问题越来越重视,如何有效的监控人体健康,并及时有效的反馈相关信息成了近年来科研人员研究的重点。而传统用于采集信息的传感器,由于穿戴不舒适,易损坏,所以普遍不适用于这一领域。柔性传感器相较于传统传感器,穿戴舒适,轻薄实用,因此被人们所青睐。而高分子聚合物做为一种柔性传感器的基材,具有制备简单、机械性能强、价格低廉等优势,受到了广泛的研究和关注。本文结合了静电纺丝和离心纺丝两种技术制备了一种弹性高分子传感器,创新了一种基于材料特性的特殊褶皱结构。利用聚丙烯腈(PAN)和聚氨酯(PU)两种高分子材料,在离心力和静电力的共同作用下,制备出了具有褶皱结构的PAN/PU复合纳米纤维,这种褶皱结构使得PAN/PU具有了较强的可拉伸性能。材料最大可以承受320%的形变,最大承受应力为2.75 MPa。实验结果表明,本文制备的PAN/PU纤维膜有着和纯PU纤维膜相仿的力学性能。利用水浴超声负载法和二浴法两种负载方法,在具有褶皱结构的PAN/PU复合纤维表面分别负载上了两种导电物质,分别是片层石墨烯以及铜硫化物。经过测试发现,负载上片层石墨烯的复合纤维,最大可承受形变量为80%,最大可承受应力为1 MPa,可以在18%伸长量的范围内产生明显的电信号。负载上铜硫化物的复合纤维,最大可承受形变为230%,最大可承受应力为0.55 MPa,在传感器受到80%的形变下,电阻变化率达到了3000%,而在经过200次拉伸以后,电阻变化率相较于未拉伸前只变化了10%,说明传感器具有良好的可重复使用性。第二种负载方法相较于第一种,可拉伸性能和电学性能有了明显的提高。最后对PAN/PU@Cu9S5复合材料传感器进行了系统化整合,构建了一套用于监控人体行为活动的系统,极大增强了传感器在现实生活的适用性,同时也确保了使用的安全性,这对于人体健康领域有着很大的意义。对于可拉伸的弹性传感器,目前主要采用石墨烯材料做为基材,制作过程复杂,成本高。因此这一次以高分子聚合物做为基材,不仅制作过程简单,成本低,也为今后制作弹性传感器提供了一个很好的思路。
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