Komposit Nanofibrous TPU Konduktif Secara Elektrik dengan Peregangan Tinggi untuk Sensor Regangan Fleksibel

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Membran Nanofibrous

Tikar TPU bukan tenunan murni memiliki elastisitas tinggi. Setelah polimerisasi PANI in situ, komposit memiliki konduktivitas yang baik, daya regangan yang baik, dan elastisitas yang tinggi. Sifat-sifat ini memenuhi persyaratan perangkat yang dapat diregangkan, seperti perangkat yang dapat dipakai [9, 10], sensor mirip kulit [9], dan perangkat mikofluida [18]. Setelah polimerisasi, membran nanofiber berubah dari putih menjadi hijau tua (Gbr. 2a, b). Dari gambar SEM membran, kita dapat melihat bahwa permukaan serat PANI/TPU (Gbr. 2d) ditutupi dengan partikel PANI (Gbr. 2d).

Morfologi dan struktur membran TPU dan PANI/TPU. a , b Gambar optik membran nanofibrous TPU murni dan membran nanofibrous PANI/TPU. c , d Gambar SEM dari membran nanofibrous TPU murni dan membran nanofibrous PANI/TPU

Gambar 3 menunjukkan spektrum FTIR membran nanofibrous TPU dan PANI/TPU murni. Spektrum FTIR TPU menunjukkan serapan N–H ester asam karbamat pada 3326 dan 2955 cm ⁻¹ . Pita pada 1700 dan 1527 cm ⁻¹ konsisten dengan C=O disosiatif amino asam karbamat. Dalam spektrum PANI/TPU, 3250 cm ⁻¹ yang baru pita serapan ditetapkan untuk getaran regangan N–H dari –C₆ H₄ NHC₆ H₄ – dari PANI, dan getaran C=C aromatik muncul pada 1514 cm ⁻¹ [19, 20]. Pita-pita ini menunjukkan keberadaan PANI.

Spektrum FTIR membran nanofibrous TPU dan PANI/TPU

Uji Kelenturan dan Sensitivitas

Membran nanofibrous komposit dicirikan dengan elastisitas yang baik dan daya regangan yang tinggi, dan konduktivitasnya berubah dengan peregangan, yaitu, membran nanofibrous PANI/TPU dapat digunakan dalam sensor regangan. Gambar 4a menunjukkan I -V karakteristik sensor PANI/TPU dengan tegangan yang berbeda. Aku -V kurva sensor PANI/TPU memiliki hubungan linier yang baik. Dari saya -V Dari karakteristik sensor, terlihat bahwa sensor PANI/TPU dapat mentolerir regangan hingga 165%. Khususnya, arus berkurang secara bertahap dengan meningkatnya regangan sensor. Gambar 4b menunjukkan respons saat ini dari regangan kontinu mulai dari 0 hingga 160% dari sensor PANI/TPU. Dari respon arus terhadap regangan kontinu, kita dapat melihat bahwa sensor memiliki stabilitas yang baik. Membran nanofibrous PANI/TPU memiliki karakter mekanik yang lebih baik daripada membran nanofibrous PVDF berpola yang dilaporkan [21]. Prinsip kerja nanofiber Ag/alginat fabrikasi untuk sensor tekanan secara skematis diilustrasikan pada Gambar. 4c, d.

Uji regangan dan diagram skema sensor membran PANI/TPU. a Aku -V kurva membran PANI / TPU di bawah strain yang berbeda. b Respons membran PANI/TPU saat ini untuk strain yang berbeda di bawah bias tetap 5 V. c Serat di bawah tekanan. d Serat di bawah tekanan

Selain sifat listrik ini, sifat mekanik membran nanofibrous TPU dan PANI/TPU murni juga telah dipelajari, seperti respons tegangan-regangan yang ditampilkan pada Gambar 5. Dari kurva tegangan-regangan, kita tahu bahwa membran TPU murni dapat diregangkan hingga sekitar 200% dan membran PANI/TPU sekitar 165%. Kurva tegangan-regangan penuh dari membran nanofibrous PANI/TPU dapat dibagi menjadi tiga wilayah:(1) 0-19% adalah wilayah elastis, di mana deformasi dapat dipulihkan; (2) 19-140% adalah daerah plastis, di mana deformasi tidak akan pernah pulih; dan (3) daerah ketiga adalah perpanjangan putus yaitu sekitar 165%. Dari Gambar 5, kita dapat melihat bahwa kekuatan tarik membran PANI/TPU meningkat menjadi 1,93 MPa, karena adanya PANI yang bersifat getas, tetapi penurunan regangan saat putus sebesar 165% dibandingkan dengan TPU membran nanofibrous [22].

Kurva tegangan regangan membran nanofibrous TPU dan PANI/TPU

Seperti diketahui, faktor pengukur (GF) adalah indeks kinerja khas dari sensor regangan, dan didefinisikan sebagai (dR /R _nonaktif )/ɛ yang berarti rasio perubahan relatif dalam hambatan listrik (dR /R _nonaktif ) dengan regangan mekanis ɛ . Ini menunjukkan perubahan sensitivitas sensor terhadap tegangan. R _nonaktif adalah resistansi sensor dalam rumus, dan dR adalah perubahan resistansi sensor [18, 21]. Gambar 6a menunjukkan perubahan relatif dari resistansi sensor. Ketika sensor diregangkan hingga 120%, serat mulai putus. Kerusakan mengakibatkan jarak yang sangat jauh antara partikel konduktif, dan dengan demikian, resistansi memiliki perubahan besar dari 120 menjadi 150%. Gambar 6a menunjukkan bahwa laju regangan membran PANI/TPU bervariasi dari 0% hingga 150%. GF adalah sekitar 6,7252 dari 0 hingga 120% dan sekitar 49,5060 dari 120 hingga 150%. Data yang diperoleh dari percobaan menunjukkan bahwa sensor PANI/TPU memiliki sensitivitas yang baik. Sementara dibandingkan dengan laporan lain, GF lebih rendah daripada beberapa sensor regangan berbasis silikon ultra tipis (GF sekitar 200), film PEDOT:PSS/PVA [23], dan sensor regangan yang dibuat oleh nanotube anorganik tunggal dan kawat nano [ 24,25,26]. Namun, sensitivitasnya lebih baik daripada sensor PANI/PVDF (GF sekitar 1) [21].

Uji stabilitas dan ketahanan sensor membran PANI/TPU. a Perubahan relatif dalam resistansi sensor membran PANI/TPU di bawah strain yang berbeda. b Uji stabilitas di bawah regangan tetap 30,7%. c A adalah Aku -V kurva pada tahap awal, dan B adalah I -V kurva setelah 100 kali peregangan hingga 30,7% dan ditempatkan selama 24 jam. d A adalah Aku -V kurva pada tahap awal, dan B adalah I -V melengkung setelah 1000 kali ditekuk dan ditempatkan selama 24 jam

Hanya properti ini tidak cukup. Sebuah sensor regangan yang baik harus dilengkapi dengan stabilitas dan daya tahan yang baik yang berarti sensor dapat bekerja untuk waktu yang lama tanpa regresi yang signifikan setelah deformasi elastis yang berbeda. Untuk mengukur stabilitas, kami menyelidiki kurva respons-pemulihan di bawah regangan tetap sebesar 30,7%, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6b. Di sini, arus berkurang dengan regangan tarik dan arus hampir pulih ke nilai awal. Dan kemudian, kurva dapat mengulangi lingkaran yang sama di bawah tekanan mekanis 30,7% yang menunjukkan bahwa sensor kami memiliki pengulangan yang baik. Dalam aplikasi praktis, daya tahan merupakan parameter penting [18]. Untuk mengakses daya tahan sensor, kami menyelidiki sinyal keluaran di bawah 100 kali peregangan siklus dan menempatkannya selama 24 jam pada suhu kamar. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 6c. Kurva A mewakili I original yang asli -V karakteristik sensor tanpa peregangan, dan kurva B adalah I -V karakteristik sensor yang diregangkan 100 kali dan didiamkan selama 24 jam. Mekanisme fungsi dari respon konduktivitas dapat disebabkan oleh pecah dan lepasnya gugus PANI atau pemisahan partikel PANI yang membuat konduktivitas menurun. Gambar 6d menunjukkan bahwa I -V karakteristik setelah 1000 kali pembengkokan hampir tidak ada perubahan dibandingkan dengan nilai awal. Hasilnya menunjukkan bahwa sensor memiliki daya tahan yang baik.

Sebuah sensor yang baik harus memiliki sedikit respon terhadap perubahan lingkungan. Selain gaya tarik, sebagai perangkat yang dapat dikenakan, ia juga harus ditekuk dengan bebas. Di sini, untuk mendemonstrasikan karakteristik yang dapat ditekuk, kami mendeteksi sinyal keluarannya di bawah lekukan yang berbeda. Untuk menguji kelenturan sensor, I -V karakteristik diperkirakan ketika ditetapkan pada item dengan kelengkungan yang berbeda. Seperti yang digambarkan pada Gbr. 7a, hanya perubahan kecil yang muncul saat kelengkungan berubah dari 0 menjadi 0,4 mm ⁻¹ , yang menunjukkan bahwa sensor dapat disesuaikan dengan berbagai lingkungan kerja non-planar. Selain itu, untuk menentukan penyimpangan suhu, kami menguji I -V karakteristik sensor di bawah suhu yang berbeda. Gambar 8 menampilkan I -V kurva di bawah suhu yang berbeda. Saat suhu berubah dari 240 ke 300 K, resistansi mengalami penurunan sedang dan teratur dari 2,9697 menjadi 1,6025 kΩ, dan terutama, hanya ada gangguan kecil (0,0556 kΩ) saat suhu berubah dari 300 menjadi 360 K. Sensor dapat mempertahankan konduktivitas yang baik. Hasilnya menunjukkan bahwa meskipun konduktivitas listrik sedikit berubah, sensor dapat menjaga konduktivitas yang baik di bawah suhu yang berbeda. Hasilnya menegaskan sensor dapat bekerja secara normal di bawah suhu lingkungan yang berbeda. Gambar 7b menunjukkan perangkat untuk mengukur arus di bawah kelengkungan sensor yang berbeda.

a Aku -V kurva sensor membran PANI/TPU di bawah kelengkungan yang berbeda. b Gambar optik selama pengujian I -V karakteristik di bawah kelengkungan yang berbeda

Aku -V kurva sensor membran PANI/TPU di bawah suhu yang berbeda

Aplikasi di Deteksi Lepas Tekuk Jari

Kami menggunakan gerakan jari untuk mensimulasikan gerakan manusia. Gambar 9a menunjukkan kurva respons tipikal dari sensor. Kami menguji hampir 2000 kali tekukan jari dan hanya tujuh siklus yang ditampilkan, dan Gambar 9b adalah foto sensor untuk mendeteksi gerakan jari (dengan regangan 1%). Transportasi listrik sensor dipengaruhi oleh kekuatan eksternal. Saat jari ditekuk, arus melonjak ke maksimum, maksimum tetap saat jari terus menekuk, dan kemudian kembali ke nilai aslinya setelah tidak ditekuk. Dari respons arus yang diselesaikan dengan waktu, dapat dilihat bahwa sensor memiliki respons dan pemulihan yang baik terhadap gaya eksternal. Saat ini, minat yang meningkat seputar biosensor yang dapat dipakai [27], yang dapat digunakan untuk mendeteksi berbagai sinyal biologis seperti tekanan darah [28] dan denyut pergelangan tangan [29] dan dapat digunakan untuk memantau gerakan sendi dan otot [30] . Ada banyak laporan tentang sensor semacam ini yang memasukkannya ke dalam pakaian pintar atau menempelkannya ke kulit secara langsung untuk mendeteksi gerakan manusia [9, 30,31,32], karena biayanya yang murah, bobotnya yang ringan, dan sensitivitasnya yang baik [29 ]. Di sini, berdasarkan hasil pengujian yang disebutkan di atas, sensor regangan kami menunjukkan aplikasi potensial pada perangkat yang dapat dikenakan. Sensitivitas yang baik, ringan, dan sifat murah dari sensor menunjukkan ada banyak aplikasi potensial, seperti dalam perawatan kesehatan dan ruang cerdas multi-fungsi [9, 10, 32].

a Respons terkini dari gerakan jari dan foto sensor membran PANI/TPU yang dapat dikenakan. b Gambar optik dari tes gerakan jari

Sensor tidak harus bergantung pada sistem pengukuran properti listrik yang rumit, LED self-flashing sederhana digunakan untuk memenuhi tugas karakter. Gambar 10a₁ –a₄ menunjukkan bahwa LED dapat memberikan cahaya secara normal ketika konduktor fleksibel membran PANI/TPU berada di bawah kelengkungan yang berbeda (0, 0,1, 0,05, dan 0,033 mm ⁻¹ , masing-masing). Gambar 10b₁ –b₄ menunjukkan perubahan cahaya yang lebih signifikan dengan peregangan (0, 20, 40, dan 60%, masing-masing). Kecerahan LED meredup dengan meningkatnya regangan membran PANI/TPU. Melalui variasi kecerahan lampu LED, kita dapat mengetahui status sensor, yang dapat diterapkan dalam situasi di mana terdapat keterbatasan ruang.

Konduktor fleksibel dari membran PANI/TPU dalam sirkuit tertutup. a LED yang berkedip sendiri dapat memberikan cahaya secara normal ketika konduktor fleksibel membran PANI/TPU berada di bawah kelengkungan yang berbeda. b Peredupan LED yang berkedip sendiri dengan regangan tarik membran PANI/TPU

Sensor memiliki sensitivitas dan daya regangan yang baik, dan Gambar 10 menunjukkan membran nanofibrous PANI/TPU dapat digunakan sebagai konduktor fleksibel yang berpotensi diterapkan pada layar fleksibel dan dapat dipasang pada pakaian untuk mendeteksi kesehatan manusia [33].