多功能柔性导电高分子复合材料的制备及性能研究

来源 :郑州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dengsanhua
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近些年来,基于导电高分子复合材料的多功能柔性应变传感器(Conductive Polymer Composites-Based Flexible Strain Sensors with Multi-Functions,C-FSSF)在医疗领域,人体健康检测,电理疗,人机交互,电子皮肤,电磁屏蔽和纳米发电机等领域表现出巨大的应用前景,引起了学者的广泛关注。然而,目前C-FSSF的制备技术仍然比较单一,其响应机理尚不完善;在同时获得C-FSSF的柔性、多功能性以及应变-电阻响应性能方面仍然“面临”巨大的挑战。本论文通过对C-FSSF的结构以及导电网络进行设计,对其应变传感性能、可穿戴性以及多功能性进行调控,论文结果可为高性能柔性可穿戴电子器件的研发及应用提供理论基础。具体研究内容和成果如下:1、通过构筑“三维导电网络结构”,实现了 C-FSSF高的线性工作范围,优良的响应稳定性以及良好的油水分离功能。利用模板法-超声方法,制备了炭黑(Carbon black,CB)/聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)泡孔复合材料。利用方糖作为模板,制备出PDMS泡孔材料,然后利用超声法将CB纳米粒子附着在PDMS的孔壁表面,构筑完善的导电网络。由于PDMS是一种热固性材料,加之体系完善的导电网络,复合泡孔材料展现出较低的滞后性,这是传感器领域亟待解决的问题之一。CB/PDMS泡孔材料还表现出优异的应变-电阻响应稳定性,超高的线性工作范围(高达91%的压缩应变)和优异的长期循环耐久性。另外,CB/PDMS泡孔材料还具有良好的油水分离能力,可以用于污水处理。2、通过构筑“Layer by Layer(层状)”结构,实现了 C-FSSF的宽的响应范围和高灵敏度,在一定程度上克服了 C-FSSF灵敏度和响应范围之间的矛盾;同时该材料对氨气和温度等外界刺激也有响应。利用原位聚合-超声方法,制备了聚苯胺(Polyaniline,PANI)/还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,RGO)/PANI双螺旋弹性纤维(Stretchable fiber)复合材料。利用原位聚合的方法在弹性纤维的表面聚合一层导电PANI层;然后对PANI/弹性纤维进行预拉伸,使得PANI导电层产生微小的裂缝,可以提升传感器材料的响应稳定性;为了进一步提升复合材料的应变-电阻响应稳定性,利用超声技术将RGO纳米片附着在PANI导电层;最后我们利用PANI对整体材料进行了封装。该特殊的结构赋予了传感器高的应变传感灵敏度((Gauge factor,GF)为10)以及宽应变响应范围(0-200%),超低的检测极限(<0.1%应变),良好的循环耐久性(>1000次循环)及出色的弯曲-电阻响应稳定性,可以有效实现对人体各部位运动检测。此外,该C-FSSF具备良好的氨气检测能力,检测极限低至5 ppm,在环境检测领域具有重要的意义;C-FSSF还能用来检测温度的变化,并且表现出负温度效应(NTC)。3、通过设计和构筑“点对点(Point to Point,PTP)”导电网络,制备出了CB/PANI/热塑性聚氨酯(Thermoplastic polyurethane,TPU)电纺膜。TPU 电纺膜材料良好的柔韧性,赋予该传感器优异的可穿戴性。同时,该“PTP”导电网络赋予传感器材料高的灵敏度(GF=3030.8)、大的应变-电阻响应范围(600%应变)、短的响应时间(80 ms/95 ms)、超低的检测极限(0.03%的应变)以及优异的循坏耐久性,这些优异的传感性能使其能够更有效地检测人体的运动和健康状况。同时,该柔性传感器材料还可以用来检测有毒气体,在环境检测领域具有重要意义。4、TPU静电纺丝膜传感器响应性能调控及其功能性构建。设计了RGO/PANI/TPU电纺膜材料,实现了 C-FSSF响应度的较大提高。静电纺丝膜大的比表面积可以为PANI的合成和包覆提供较多的附着位点。但由于PANI导电层刚度比较大,PANI/TPU导电膜的应变-电阻响应性能的稳定性大大降低,为了进一步提升CPC材料的应变-电阻响应稳定性,我们引入了二维填料RGO纳米片。基于导电TPU电纺膜的C-FSSF具有较高的灵敏度(GF=21188.7),超宽的感应范围(0-400%应变),短的响应时间(90 ms)和优异的循坏耐久性(10000次循环拉伸测试),这种优异的应变-电阻响应性能赋予了 C-FSSF有效的检测能力,可用来检测复杂的人体运动。同时,TPU电纺膜可以组装成摩擦电纳米发电机(Triboelectric nano-generator,TENG),可有效实现能量的收集。在双电极工作模式下,TENG产生的短路电流为30μA,开路电压为528 V。基于电纺TPU膜的电子器件可以同时应用于传感器,能量收集以及氨气检测,其在自供电和可穿戴电子器件领域展示出巨大的应用潜力。5、将银纳米颗粒(Ag nanoparticles,AgNPs)附着在TPU电纺膜的表面,后经过氧等离子体处理,再喷涂MXene纳米片,制备出一电性优异的多功能传感材料。该C-FSSF具备优异的应变-电阻响应性能,检测极限为0.1%的应变,且具有高的响应度(GF=7853),宽的响应范围(0-200%的应变)以及良好的透气性。同时,该C-FSSF具有超高的电导率(95238 S/m),可应用于电加热(在电压为1V的条件下可以达到80℃)和电磁屏蔽等领域(电磁屏蔽效能可以达到108.8 dB)。
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