Fabrikasi Mudah dari Komposit Polianilin Berpori Multi-hierarkis sebagai Sensor Tekanan dan Sensor Gas dengan Sensitivitas yang Dapat Disesuaikan

Hasil dan Diskusi

Properti Morfologi dan Struktural

Gambar 3a, c dan Gambar. 3b, d menunjukkan gambar SEM spons murni dan spons polimerisasi in situ di bawah perbesaran yang berbeda, masing-masing. Dapat dilihat bahwa struktur berpori yang saling berhubungan menyediakan permukaan yang cukup untuk pertumbuhan cabang nano PANI. Komposit setelah polimerisasi menunjukkan permukaan kasar sedangkan spons murni halus, yang menunjukkan bahwa struktur mikro/nano PANI telah tumbuh. Di bawah perbesaran tinggi, nanobranch PANI dapat dilihat dengan jelas di permukaan spons. Selama proses polimerisasi in situ, karena ketidakseragaman intrinsik PANI, beberapa tonjolan dihasilkan di membran PANI [27], dan kemudian, cabang nano PANI dapat tumbuh in situ pada struktur spons dengan adhesi yang memadai melalui kompatibilitas antarmuka. Lapisan PANI berstruktur nano membantu komposit meningkatkan konduktivitas listriknya. Sementara itu, cabang nano khusus membuat komposit menjadi area permukaan spesifik yang lebih besar, sehingga komposit dapat menampilkan sifat yang sangat baik dalam beberapa aplikasi yang bergantung pada kontak. Selain itu, komposit PANI/spons ini memiliki struktur berpori multi-hierarkis yang menarik, yang terdiri dari spons dengan pori mikro (Gbr. 3b) dan cabang PANI dengan pori nano (Gbr. 3d).

Gambar SEM dari a , c spons murni dan b , d spons setelah polimerisasi in situ

Spektrum Raman

Spektrum Raman dari spons murni dan komposit PANI/spons digambarkan pada Gambar. 4. Menurut posisi puncak karakteristik komposit PANI/spons, spektrum menunjukkan sebagian besar karakteristik PANI. Pita sekitar 1486, 1407, 1216, dan 1163 cm ⁻¹ ditugaskan untuk quinondiimine. Pita 1486 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran regangan gabungan C=C dan C=N, pita 1407 dan 1216 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran regangan C–N, dan pita 1163 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran tekuk C-N, masing-masing. Selain itu, pita pada 1329 cm ⁻¹ merepresentasikan vibrasi ulur C–N dari phenylenediamine. Pita sekitar 1588 cm ⁻¹ ditetapkan untuk getaran regangan C–C (wilayah yang sesuai adalah dari 1550 hingga 1650 cm ⁻¹ ). Hasilnya mengkonfirmasi keberhasilan polimerisasi dan keberadaan PANI pada spons.

Spektrum Raman dari spons dan spons murni setelah polimerisasi in situ

Uji Sensitivitas Tekanan

Untuk menunjukkan sensitivitas tekanan, variasi resistensi dari komposit PANI/spons dengan tekanan yang diterapkan pada permukaan dieksplorasi. Komposit dengan ukuran 3D 2 × 2 × 2 cm ³ diapit oleh dua elektroda tembaga (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2), dan listrik dicatat dengan menerapkan tekanan pada dua elektroda.

Pertama, eksplorasi sederhana dilakukan dengan respons pengurangan tekanan siklik (Gbr. 5) dari sensor PANI/spons pada bias tetap 5 V, dan ada deformasi tekan sekitar 2 mm yang dipaksakan oleh jari. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, arus mencapai nilai puncak dengan cepat dengan penerapan tekanan, dan sebagai pelepasan, dapat segera pulih ke nilai awal dan tetap dalam stabilitas yang baik. Sementara itu, sensibilitas dan pemulihan tidak terpengaruh oleh beberapa siklus rilis pers. Di sisi lain, puncaknya tidak seragam, yang mungkin disebabkan oleh fluktuasi kecil deformasi kompresi karena tekanan jari manusia tidak sepenuhnya seragam. Untuk mendemonstrasikan sensitivitas PANI/spons terhadap tekanan yang berbeda secara sistematis, rasio variasi resistansi elektronik yang dihitung berdasarkan data terukur ditunjukkan pada Gambar 6 (a). Di sini, R /R ₀ = (R ₀  R )/R ₀ , di mana R ₀ dan R menunjukkan resistansi dalam kondisi pelepasan dan tekanan. Dapat dilihat bahwa perubahan relatif resistensi meningkat ketika PANI/spons ditekan dari 0 menjadi 13 kPa. Selanjutnya, dari kemiringan kurva A, sensitivitas tekanan S (S = δ (ΔR /R ₀ )/δP , di mana P menunjukkan tekanan yang diterapkan) [13], yang merupakan indeks penting untuk mencerminkan kinerja sensor tekanan, dapat dihitung menjadi sekitar 8,0 (0–8 kPa) dan sekitar 54,5 (8–13 kPa). Kami mengkonfirmasi bahwa mekanisme penginderaan komposit PANI / spons adalah perubahan struktur mikro dalam. Di sini, untuk pengoperasian yang mudah, jarak kompresi diusulkan untuk mengkarakterisasi kekuatan tekanan yang diterapkan, dan hubungan yang sesuai antara tekanan dan deformasi kompresi diilustrasikan pada Gambar. 6 (b).

Respon tekanan siklik dari PANI/spons dengan deformasi tekan sekitar 2 mm yang dipaksakan oleh jari

A Kurva tekanan-respons sensor PANI/spons dan B kurva hubungan tekanan dan deformasi kompresi yang sesuai

Untuk mendemonstrasikan mekanisme penginderaan piezoresistif dari komposit PANI/spons konduktif, diagram skematik sederhana (Gbr. 7) digambarkan untuk mensimulasikan perubahan kontak mikro dari struktur spons. Dengan meningkatnya tekanan, pori-pori mikro terjepit dan kontak satu sama lain lebih dekat. Khususnya, struktur mikropori dapat pulih ke kondisi sebelumnya dengan pelepasan tekanan. Di sini, resistansi menjadi lebih kecil dengan peningkatan tekanan dan dapat kembali ke nilai awal setelah pelepasan. Dengan demikian, variasi kontak-dalam dari struktur berpori konduktif menghasilkan perubahan resistansi, yang menghasilkan sensitivitas piezoresistif. Untuk mengilustrasikan variasi kontak secara visual, gambar SEM dari struktur mikropori di bawah derajat tekanan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 8a-d. Selain itu, tidak ada deskuamasi PANI dalam pengujian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8e (gambar SEM komposit setelah beberapa tekanan), struktur mikro/nano PANI dapat mempertahankan adhesi yang memadai pada spons setelah pengujian siklik.

Skema sensor tekanan dari komposit PANI/spons

Gambar SEM dari struktur mikro dari komposit PANI/spons di bawah tekanan yang berbeda dengan rasio kompresi perkiraan a 0%, b 20%, c 40%, dan d 60%. e Gambar SEM komposit setelah beberapa tekanan di bawah perbesaran yang berbeda

Sensor tekanan harus dilengkapi dengan kemampuan stabilitas dan pemulihan yang baik. Untuk tujuan mendemonstrasikan karakteristik stabilitas dan pemulihan, respons arus terhadap tekanan yang berbeda di bawah bias tetap 5 V diuji. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a, arus hampir menampilkan respons liner terhadap deformasi kompresi dari 0 hingga 12 mm dan kembali ke 0 mm; sementara itu, ia memiliki respons yang cepat dan stabilitas yang baik terhadap tekanan naik dan turun, selain itu, hanya ada sedikit penyimpangan antara tes naik dan turun terus menerus. Namun, muncul perbedaan yang jelas antara 250~300 d dan 320~360 d. Kami menyimpulkan bahwa penyimpangan ini mungkin disebabkan oleh dua alasan utama. Salah satunya adalah bahwa mungkin ada kualitas histeresis ketika komposit tiba-tiba pulih dari deformasi terbesar. Yang lainnya adalah kemungkinan kesalahan pengoperasian dalam pengujian, yang mengarah ke jarak kompresi yang lebih besar dari itu dalam 250~300 dtk. Untuk mengkarakterisasi stabilitas dan pemulihan secara lebih langsung, Gambar 9b menunjukkan tanggapan saat ini untuk memuat dan menurunkan tekanan dengan intensitas yang berbeda. Dari kurva respons lingkaran, respons gabungan terhadap tekanan segera, dan arus dapat sepenuhnya pulih ke nilai awal dalam 35 s setelah penarikan tekanan. Dapat dilihat dari Gambar 9 bahwa arus meningkat dengan meningkatnya tekanan dan menurun dengan menurunnya tekanan, yang konsisten dengan mekanisme penginderaan piezoresistif yang diilustrasikan di atas. Hasil ini menunjukkan bahwa komposit PANI/spons yang fleksibel dan sensitif berpotensi diterapkan pada sensor tekanan, yang dapat digunakan pada kulit buatan dan pakaian pintar yang murah [13, 34, 1].

Uji stabilitas dan pemulihan sensor PANI/spons. a Respons saat ini terhadap tekanan yang berbeda dengan deformasi tekan dari 0 hingga 12 mm dan kembali ke 0 mm. b Respons terkini terhadap tekanan bongkar muat dengan intensitas berbeda

Aplikasi di Deteksi Lepas Tekuk Jari

Saat ini, sensor tekanan berbiaya rendah dengan sensitivitas tinggi dan fleksibilitas yang tepat sangat diinginkan dalam perangkat portabel dan perangkat yang dapat dikenakan. Di sini, sensor PANI/spons sederhana (2 × 1 × 0,5 cm ³ ) dipasang pada sarung tangan karet pada sambungan jari telunjuk. Respons arus direkam saat penguji melakukan operasi pelepas tekukan jari pada bias tetap 5 V. Beberapa respons arus siklus ditunjukkan pada Gambar 10. Jari menekuk dan melepaskan dengan cepat dalam proses ini. Terlihat bahwa arus meningkat tajam ketika jari tiba-tiba ditekuk. Ketika jari dilepaskan, arus menunjukkan pengurangan yang signifikan dan pulih ke nilai aslinya. Derajat setiap tekukan jari tidak sama persis, sehingga puncak arus pada setiap titik tekuk memiliki sedikit perbedaan. Sensibilitas dan pengulangan respons saat ini menunjukkan bahwa sensor tersebut andal dan mampu untuk perangkat deteksi fleksibel di beberapa perangkat portabel dan perangkat wearable berbiaya rendah.

Respons terkini dari deteksi gerakan pelepas tekuk jari pada bias tetap 5 V

Aplikasi di Sensor Gas Sensitivitas yang Dapat Disesuaikan

Komposit PANI telah banyak dieksplorasi sebagai bahan penginderaan gas karena mekanisme konduksinya yang unik. Namun, laporan terkait sensor gas berbasis PANI terutama berfokus pada sensitivitas tetap atau tunggal. Di sini, berdasarkan struktur berpori fleksibel dan reaksi NH₃ molekul dengan PANI yang didoping proton, kami menyelidiki aplikasi potensial dari komposit PANI/spons pada sensitivitas yang dapat disesuaikan NH₃ sensor gas. Melalui pengendalian densitas kontak bagian dalam dari struktur berpori konduktif (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8), volume difusi dan laju aliran udara dapat disesuaikan untuk mencapai tujuan sensitivitas yang dapat disesuaikan. Sensor komposit PANI/spons yang diapit di bawah tekanan yang berbeda dimasukkan ke dalam kotak tertutup (dengan ukuran 30 × 30 × 30 cm ³ ) dan dikontakkan dengan sistem meteran resistansi tinggi Keithley 6487 di luar melalui kawat tembaga. NH₃ diproduksi oleh penguapan alami dari 1 ml larutan amonia yang ditambahkan ke dalam kotak. Gambar 11 menunjukkan respons komposit PANI/spons waktu nyata terhadap udara dalam ruangan dan NH₃ , yang menunjukkan bahwa tingkat kompresi berpengaruh pada sensitivitas NH₃ deteksi. Dari waktu sekarang (I -t ) kurva, dapat dilihat bahwa resistansi komposit dengan difusi NH₃ jelas lebih tinggi daripada di udara dalam ruangan. Selain itu, jelas bahwa dengan meningkatnya derajat kompresi, resistansi komposit dan waktu respons ke kondisi tunak keduanya meningkat secara bertahap di bawah NH₃ yang sama. atmosfer, yang menunjukkan bahwa sensitivitas dapat disesuaikan dengan porositas kontak bagian dalam. Dengan meningkatnya tekanan, densitas kontak-dalam dari struktur berpori konduktif meningkat, yang menyebabkan penurunan volume difusi dan laju difusi NH₃ arus masuk; oleh karena itu, di bawah konsentrasi yang sama, waktu respons terhadap NH₃ diperpanjang. Selain itu, arus awal meningkat dengan meningkatnya tekanan karena penurunan laju aliran NH₃ . Di sisi lain, karena kandungan NH₃ dalam kotak tertutup adalah sama, arus komposit akhirnya dapat mencapai nilai yang kecil, yaitu, dedoping PANI oleh NH₃ akan mencapai level yang sama.

NH₃ sifat penginderaan dari komposit PANI/spons di bawah tekanan yang berbeda