Membran Nanofibrous TPU–PANI Sangat Ramah Listrik dan Terukur Tinggi untuk Sensor Regangan Fleksibel Lanjutan
Abstrak
Kami telah merakit komposit nanofibrous poliuretana termoplastik (TPU), difungsionalkan in situ dengan poli-anilin (PANI) melalui elektrospinning, untuk menciptakan sensor regangan fleksibel yang dapat menahan regangan hingga 165 persen dengan respons cepat dan stabilitas jangka panjang. Komposit mempertahankan konduktivitas yang konsisten di seluruh rentang suhu yang luas dan menempel pada permukaan non-datar, menawarkan rute hemat biaya dan dapat diskalakan untuk sensing wearable berperforma tinggi dan substrat konduktif.
Latar Belakang
Membran nanofibrous dihargai karena luas permukaan spesifik yang besar, porositas tinggi, elastisitas, dan sifat mekanik yang unggul, menjadikannya menarik untuk saringan jaringan, pakaian pelindung, sistem pengiriman obat, dan perangkat elektronik [1–10]. Di antara teknik pembuatan, elektrospinning menonjol karena kesederhanaannya, keterjangkauan, dan serbaguna dalam menghasilkan mat non-tenun [11–15]. Namun, mencapai konduktivitas listrik pada membran tersebut biasanya memerlukan penambahan polimer konduktif atau semiconductor berbasis karbon. Poli-anilin (PANI) menawarkan konduktivitas tinggi tetapi menderita keterbatasan elastisitas karena inti polarnya [16]. Poliuretana termoplastik (TPU) menyediakan kelangkaan tinggi dan daya tahan gosok yang baik [17]. Dengan menggabungkan TPU dengan PANI melalui polimerisasi in situ, kami bertujuan untuk mengatasi kerapuhan PANI sambil mempertahankan elastisitas tinggi TPU, sehingga menciptakan komposit yang cocok untuk sensor regangan wearable dan konduktor terukur.
Eksperimental
Persiapan Membran Nanofibrous PANI/TPU
Pembuatan dilakukan dalam tiga tahap. Pertama, larutan TPU disiapkan dengan melarutkan 2,4 g TPU dalam 8,8 g N,N-dimetilformamida (DMF) dan 8,8 g tetrahidrofuran (THF), kemudian diaduk selama 5 jam hingga homogen. Elektrospinning dilakukan pada jarak jarum-kolektor 10–12 cm, 12 kV, dan laju pakan 15 µL min⁻¹, dengan kolektor rol untuk mencapai ketebalan seragam. Mat TPU yang dihasilkan kemudian dilakukan polimerisasi PANI: 4,6 g sulfat persolat amonium (APS) dilarutkan dalam 50 mL air deionisasi (larutan A); 1,875 g anilin dan 2,54 g asam sulfosalilat (SSA) dilarutkan dalam 50 mL air DI (larutan B). Membran TPU (10 cm × 10 cm) direndam dalam larutan B, diikuti oleh penambahan perlahan larutan A sambil diaduk pada suhu kamar selama 30 menit. Setelah 12 jam pada 275 K, membrana dicuci, dikeringkan selama 48 jam pada suhu kamar, dan menjadi komposit hijau PANI/TPU.
Pemasangan Sensor
Sensor diriset dengan menyandwich komposit membran 1 cm × 2 cm × 0,05 cm antara dua film PDMS (1,5 cm × 3 cm × 0,05 cm) untuk melindungi serat. Kembaran tembaga dilekatkan dengan pasta perak, dan lebar aktif adalah 15 mm dengan jarak elektroda 1,5 mm. Lihat skematis di bawah.
Gambar 1. Skematis proses pemasangan sensor.
Karakterisasi dilakukan menggunakan mikroskopi optik (Olympus BX51), SEM (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), analyzer mekanik dinamis (TA Q-800), meter resistansi tinggi Keithley 6485, dan PPMS (Quantum Design) untuk studi bergantung pada suhu.
Hasil dan Diskusi
Morfologi dan Komposisi
Mat TPU asli menunjukkan jaringan serat seragam dan elastisitas tinggi. Setelah polimerisasi, membran berubah menjadi hijau tua (Gambar 2a,b) dan SEM mengungkapkan partikel PANI menghiasi permukaan serat (Gambar 2d). Spektra FTIR mengonfirmasi keberadaan PANI: band baru pada 3250 cm⁻¹ (N–H stretching) dan 1514 cm⁻¹ (C=C aromatik) muncul dalam komposit, yang tidak ada pada TPU murni (Gambar 3).
Gambar 2. (a) Citra optik membran TPU. (b) Citra optik membran PANI/TPU. (c) SEM TPU. (d) SEM PANI/TPU.
Gambar 3. Spektra FTIR membran TPU dan PANI/TPU.
Kelangkaan dan Sensitivitas
Sensor PANI/TPU menunjukkan elastisitas yang luar biasa, menahan regangan hingga 165 persen sambil mempertahankan karakteristik I-V linier (Gambar 4a). Arus berkurang secara bertahap dengan meningkatnya regangan, menunjukkan resistansi yang dapat disesuaikan untuk sensing regangan (Gambar 4b). Pengujian mekanik menunjukkan bahwa kurva stres-regangan komposit terdiri dari wilayah elastis (0–19 persen), plat plastik (19–140 persen), dan putus akhirnya pada ~165 persen (Gambar 5). Kekuatan tarik naik menjadi 1,93 MPa relatif terhadap TPU murni, meskipun regangan pada patah sedikit berkurang karena sifat rapuh PANI.
Gambar 4. (a) Kurva I-V pada berbagai regangan. (b) Respons arus vs. regangan (bias 5 V). (c-d) Citra SEM serat tanpa regangan dan dengan regangan.
Gambar 5. Kurva stres-regangan membran TPU dan PANI/TPU.
Faktor ukuran (GF) dihitung sebagai GF = (ΔR/R₀)/ε. Komposit menunjukkan GF sebesar 6,73 dalam regime elastis (0–120 persen) dan 49,51 dalam regime plastik (120–150 persen), menunjukkan sensitivitas tinggi, terutama dibandingkan sensor PANI/PVDF (GF ≈ 1) [21] dan unggul dari banyak sensor polimer, meskipun lebih rendah dari film silikon ultralapis atau PEDOT:PSS/PVA.
Gambar 6. (a) Perubahan resistansi relatif vs. regangan. (b) Uji stabilitas pada regangan 30,7 persen. (c) I-V sebelum dan setelah 100 siklus. (d) I-V setelah 1000 siklus.
Uji stabilitas pada regangan konstan 30,7 persen menunjukkan pemulihan arus yang hampir sempurna seiring waktu, mengonfirmasi keulangan yang sangat baik. Uji daya tahan selama 1000 siklus menunjukkan perubahan yang tidak terdeteksi pada karakteristik I-V, mengesahkan daya tahan.
Fleksibilitas dan Stabilitas Suhu
Kika dibungkukan pada substrat dengan kelengkungan dari 0 hingga 0,4 mm⁻¹, respons I-V bervariasi minimal (Gambar 7a), menunjukkan kesesuaian untuk aplikasi non-datar. Pengujian siklus suhu dari 240 K hingga 360 K menghasilkan perubahan resistansi yang modest (2,97 kΩ hingga 1,60 kΩ), menunjukkan performa yang kuat di seluruh rentang suhu ambient yang umum (Gambar 8).
Gambar 7. (a) Kurva I-V di bawah berbagai kelengkungan. (b) Citra optik selama pengujian kelengkungan.
Gambar 8. Kurva I-V pada berbagai suhu.
Deteksi Gerakan Jari
Sensitivitas tinggi sensor memungkinkan deteksi regangan dan lepasan jari. Dalam uji 2000 siklus, arus lonjak tajam saat membungkuk dan kembali ke dasar saat dilepaskan (Gambar 9a). Sirkuit LED sederhana menunjukkan umpan balik visual waktu nyata: LED mempertahankan kecerahan pada regangan ringan dan redup dengan meningkatnya regangan tarik, menawarkan tampilan yang tidak kompleks dari status regangan (Gambar 10).
Gambar 9. (a) Arus vs. waktu selama regangan jari. (b) Foto sensor wearable.
Gambar 10. (a) Kecerahan LED di bawah berbagai kelengkungan. (b) Kecerahan LED di bawah regangan tarik 0–60 persen.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan rute pembuatan yang mudah dan hemat biaya untuk komposit nanofibrous TPU–PANI yang sangat terukur dan konduktif listrik. Sensor regangan yang dihasilkan secara andal mendeteksi regangan hingga 165 persen dengan respons cepat dan dapat diulang, mempertahankan konduktivitas di seluruh rentang suhu yang luas, dan dapat diintegrasikan ke dalam sistem elektronik wearable atau fleksibel. Berat ringan, biaya rendah, dan performa kuat menjadikannya platform yang menarik untuk sensing biosensibel wearable generasi berikutnya dan sirkuit fleksibel.
