基于新型PI泡沫的RGO/PI复合海绵柔性压阻传感器制备与性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huishouzhong2
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目前,国内外科研工作者及相关单位通过还原氧化石墨烯(RGO)与有机聚合物多孔材料复合所制备的柔性压阻传感器材料,存在耐温性较差、应用温域较窄、微小压力传感灵敏度低等问题。为解决上述问题,本研究依托微波发泡技术,设计并制备了具有特殊孔结构以及分子结构的新型聚酰亚胺(PI)泡沫。依托新型PI泡沫开孔结构,实现RGO海绵在PI泡沫基材中附着量的提升,依托PI树脂中残余的酯铵盐官能团,诱导形成RGO海绵的褶皱堆积形态,最终通过操作简单、无毒、无污染的水热还原和冷冻干燥处理过程,得到压缩灵敏度大幅度提升的RGO/PI复合海绵。基于PI泡沫的微波发泡技术,通过对微波功率及固化温度的控制,得到开孔度在90%以上的PI泡沫,能够实现RGO海绵在PI泡沫孔中和骨架上均匀填充,从而有效提高传感器的灵敏度;并通过对PI酰亚胺化程度的控制得到残余酯铵盐官能团,既提高了PI泡沫的亲水性,又能通过氢键作用诱导RGO海绵形成褶皱堆叠结构。通过调节真空浸渍的温度、真空度等条件解决GO分散液对PI泡沫浸渍均匀性问题,实现GO分散液的定量浸渍,结果表明当真空度为80 k Pa,浸渍温度为70℃时,GO分散液透过率最高,浸渍效果最佳。采用水热法,在不同水热温度下制备一系列不同的的RGO/PI复合海绵,对不同RGO/PI复合海绵结构和性能的表征,确定160℃条件下所制备复合海绵柔性传感器导电性最佳且压缩灵敏度最高;耐温性测试表明,制备的RGO/PI柔性压阻传感器具有良好的耐高温和耐低温性能,经过-196℃和300℃条件处理后仍能保持原有的压缩灵敏性。通过调节GO水分散液浓度,得到具有不同RGO复合量的RGO/PI复合海绵。随着GO分散液浓度的增加,复合海绵电导率以及0-1 k Pa内的压缩灵敏度分别呈现出先增加后降低和先增加后逐渐稳定的变化趋势。当GO水分散液浓度为3 mg·m L-1时,复合海绵电导率最高可达10.68×10-4 S·m-1,在0-1 k Pa压缩灵敏度高达1.172 k Pa-1,与以往聚合物/RGO复合海绵柔性压阻传感器相比,增加了100.3-300.6%。对RGO/PI-3的压缩重复性以及对微小应力检测能力的进行表征,结果表明,其能够在正向和反向两种应力变化方向下应用,具有良好的压缩循环稳定性和较高的使用寿命,对微弱气流等冲击亦能表现出明显的响应。
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