Pembuatan Cepat Komposi Spon Polyani line/Poliuretana Porus Hierarkis untuk Sensor Tekanan dan Gas Fleksibel

Abstrak

Kami menyajikan rute polimerisasi in-situ yang hemat biaya untuk menghasilkan komposit polyani line (PANI) porus hierarki multi pada spon poliuretana komersial. Rangka spon menawarkan permukaan yang terhubung luas yang memfasilitasi pertumbuhan cabang PANI, menghasilkan komposit fleksibel dengan luas permukaan tinggi. Sirka dirakit sebagai sensor tekanan piezoresistif, material menunjukkan respons cepat, pemulihan yang sangat baik, dan sensitivitas tekanan yang meningkat dari 8,0 kPa⁻¹ pada tekanan rendah hingga 54,5 kPa⁻¹ di atas 8 kPa. Selain itu, komposit yang sama berfungsi sebagai sensor gas yang sensitivitas NH₃-nya dapat diatur dengan memvariasi tekanan yang diterapkan, berkat densitas pori internal yang dapat disesuaikan. Karya ini menunjukkan metode mudah dan hemat biaya untuk memproduksi sensor multifungsi dengan pengumpulan sinyal yang sederhana.

Latar Belakang

Sensor fleksibel—meliputi tekanan, regangan, gas, suhu, dan perpindahan—adalah kunci untuk generasi mendatang perangkat wearable dan lipat. Namun, pembuatannya sering memerlukan proses berlangkah yang mahal. Spon tiga dimensi (3D), terutama varian poliuretana, adalah alternatif yang menarik karena elastisitasnya, luas permukaan spesifik yang tinggi, densitas rendah, dan produksi yang murah. Saat digabungkan dengan pengisi konduktif, spon telah digunakan dalam sensor tekanan, superkapasitor, dan penyerap minyak. Polimer konduktif, khususnya polyani line (PANI), menguntungkan untuk sensor karena konduktivitas listrik intrinsik, ketahanan mekanis, dan luas permukaan besar. PANI dapat disintesis melalui doping atau polimerisasi in-situ, yang terakhir menawarkan rute yang lebih terukur dan efektif.

Sensor tekanan piezoresistif mengubah deformasi mekanis menjadi perubahan resistansi dan dihargai karena desain sederhana dan biaya rendah. Prinsip sensornya bergantung pada modulasi jalur kontak dalam jaringan konduktif. Untuk sensor gas, konduktivitas PANI dimodulasi oleh perubahan protonasi/doping saat berinteraksi dengan gas alkaline seperti NH₃, yang mengurangi jumlah penangkar muatan dan meningkatkan resistansi.

Dalam studi ini, kami memanfaatkan polimerisasi in-situ untuk menumbuhkan jaringan PANI porus pada spon poliuretana, menghasilkan komposit yang berfungsi secara bersamaan sebagai sensor tekanan berkinerja tinggi dan sensor gas NH₃ dengan sensitivitas yang dapat disesuaikan.

Metode

Bahan

Persulfat ammonium (APS, M_w = 228,20 g mol⁻¹), asam 5-sulfosalisilat (SSA, M_w = 254,22 g mol⁻¹), dan anilin (M_w = 93,13 g mol⁻¹) diperoleh dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Spon poliuretana komersial (Domaxe, China) digunakan sebagai rangka.

Persiapan Komposit PANI/Spon

Campuran polimerisasi disiapkan dengan mencairkan 2,5422 g SSA dan 1,8626 g anilin dalam 50 mL air deion, diikuti dengan pengadukan magnetik selama 20 menit. Spon kemudian direndam, dan 4,5640 g APS dicairkan dalam 50 mL air ditambahkan perlahan untuk memastikan pencampuran yang homogen. Reaksi dilakukan pada 2 °C selama 24 jam. Setelah dicuci dengan air deion untuk menghilangkan monomer dan oksidan yang tersisa, sampel dikeringkan pada suhu kamar selama 48 jam. Komposit PANI/spon yang dihasilkan menunjukkan perubahan warna dari kuning menjadi hijau tua, dan pemuatan PANI sekitar 35 wt% (ditentukan oleh perbedaan berat).

Rakit Sensor

Komposit PANI/spon 2 × 2 × 2 cm³ ditempelkan di antara dua elektroda tembaga (lembar tembaga). Kabel tembaga dilodi pada elektroda dan dihubungkan ke meter resistensi tinggi Keithley 6487 untuk pengukuran listrik.

Karakterisasi

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM, JEOL JSM-7500F) dan spektroskopi Raman (Renishaw inVia Plus, laser 532 nm) digunakan untuk memeriksa morfologi dan struktur. Properti listrik diukur dengan sistem Keithley 6487.

Hasil dan Pembahasan

Properti Morfologis dan Struktural

Citra SEM mengungkapkan bahwa spon murni menampilkan kerangka porus yang mulus dan terhubung, sedangkan spon yang dilapisi PANI menunjukkan permukaan yang kasar yang padat ditutupi dengan cabang nano. Lapisan PANI yang terstruktur nano meningkatkan luas permukaan spesifik komposit dan meningkatkan konduktivitas listrik. Komposit memiliki arsitektur porus hierarki multi yang terdiri dari pori mikro spon dan nanoporositas yang diperkenalkan oleh cabang PANI.

Spektroskopi Raman

Spektrum Raman komposit menampilkan puncak PANI khas pada 1486, 1407, 1216, dan 1163 cm⁻¹, yang masing-masing sesuai dengan getangan C=C/C=N, getangan C–N, dan lenturan C–N. Pita pada 1588 cm⁻¹ mengonfirmasi getangan C–C. Fitur-fitur ini mengonfirmasi polimerisasi PANI yang berhasil pada rangka spon.

Uji Sensitivitas Tekanan

Saat diberi tekanan siklus, resistansi komposit menurun secara tajam dengan beban yang diterapkan dan pulih segera setelah dilepaskan. Perubahan resistansi relatif (ΔR/R₀) meningkat dari 0 hingga 13 kPa, dengan sensitivitas 8,0 kPa⁻¹ pada rentang 0–8 kPa dan 54,5 kPa⁻¹ pada rentang 8–13 kPa. Mekanisme sensornya disebabkan oleh pengurangan resistansi kontak yang diinduksi kompresi dalam jaringan porus.

Stabilitas dan Pemulihan

Di bawah siklus pemuatan–pemuatan berkelanjutan hingga kompresi 12 mm, sensor menunjukkan respons arus–tekanan linier, pemulihan cepat dalam 35 detik, dan histeresis yang cana, menunjukkan ketahanan yang baik untuk aplikasi wearable.

Deteksi Lenturan Jari

Memasang sensor 2 × 1 × 0,5 cm³ pada sarung tangan karet, perangkat secara akurat melacak fleksi dan pelepasan jari, dengan lonjakan arus yang jelas dan dapat diulang yang berkaitan dengan peristiwa lenturan, menekankan kesesuaiannya untuk robotik lunak dan pemantauan gerakan manusia.

Sensor Gas dengan Sensitivitas Dapat Disesuaikan

Dengan memvariasi kompresi awal komposit dalam ruangan teredam, sensitivitas deteksi NH₃ dapat diatur. Kompresi yang lebih tinggi mengurangi volume pori dan laju difusi, yang mengakibatkan waktu respons lebih lama dan arus steady-state yang lebih rendah. Perilaku yang dapat dikontrol ini timbul dari densitas kontak internal yang dapat disesuaikan, menawarkan cara sederhana untuk menyesuaikan performa sensor gas.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan metode mudah dan terukur untuk memproduksi komposit spon PANI/PU porus hierarki yang berfungsi sebagai sensor tekanan dengan sensitivitas tinggi dan biaya rendah serta sensor gas NH₃ yang sensitivitasnya dapat diatur. Arsitektur porus fleksibel memberikan respons cepat, pemulihan yang sangat baik, dan performa sensor gas yang dapat disesuaikan, menjadikannya calon yang menjanjikan untuk perangkat sensing wearable dan portabel generasi mendatang.