Fabricación rápida de compuestos esponja poliuretano/polianilina porosos jerárquicos para sensores flexibles de presión y gas ajustables

Resumen

Presentamos una ruta de polimerización in-situ rentable para producir un compuesto de polianilina (PANI) multi-jerárquico poroso sobre esponja de poliuretano comercial. El andamio de esponja ofrece vasta superficie interconectada que facilita crecimiento de nanorramas PANI, produciendo compuesto flexible de alta área superficial. Ensamblado como sensor piezorresistivo de presión, el material exhibe respuesta rápida, excelente recuperabilidad y sensibilidad a presión que sube de 8,0 kPa⁻¹ a bajas presiones a 54,5 kPa⁻¹ sobre 8 kPa. Además, el mismo compuesto sirve como sensor de gas cuya sensibilidad a NH₃ puede ajustarse variando presión aplicada, gracias a densidad de poros interna ajustable. Este trabajo demuestra método fácil, bajo costo para fabricar sensores multifuncionales con recolección de señal directa.

Antecedentes

Sensores flexibles —abarcando presión, deformación, gas, temperatura y desplazamiento— son cruciales para próxima generación de dispositivos vestibles y plegables. Sin embargo, su fabricación a menudo requiere procesos costosos multi-paso. Esponjas tridimensionales (3D), especialmente variantes poliuretano, son alternativas atractivas por su elasticidad, alta área superficial específica, baja densidad y producción barata. Combinados con rellenos conductores, esponjas se han empleado en sensores presión, supercapacitores y absorbentes aceite. Polímeros conductores, particularmente polianilina (PANI), son ventajosos para sensores por su conductividad eléctrica intrínseca, robustez mecánica y gran área superficial. PANI puede sintetizarse via dopaje o polimerización in-situ, esta última ofreciendo ruta más escalable y efectiva.

Sensores piezorresistivos de presión convierten deformación mecánica en cambios de resistencia y son apreciados por diseño simple y bajo costo. El principio sensorial radica en modulación de vías de contacto dentro de red conductora. Para detección gas, conductividad PANI se modula por cambios protonación/dopaje al interactuar con gases alcalinos como NH₃, que reduce número de portadores de carga y aumenta resistencia.

En este estudio, aprovechamos polimerización in-situ para cultivar red PANI porosa sobre esponja poliuretano, produciendo compuesto que sirve simultáneamente como sensor presión alto rendimiento y sensor gas NH₃ sensibilidad ajustable.

Métodos

Materiales

Persulfato amonio (APS, M_w = 228,20 g mol⁻¹), ácido 5-sulfosalicílico (SSA, M_w = 254,22 g mol⁻¹) y anilina (M_w = 93,13 g mol⁻¹) de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Esponja poliuretano comercial (Domaxe, China) usada como andamio.

Preparación compuesto PANI/Esponja

Mezcla polimerización preparada disolviendo 2,5422 g SSA y 1,8626 g anilina en 50 mL agua desionizada, seguido agitación magnética 20 min. Esponja sumergida, y 4,5640 g APS disuelto en 50 mL agua desionizada añadido lentamente para asegurar mezcla homogénea. Reacción realizada a 2 °C por 24 h. Tras lavado con agua desionizada para remover monómeros residuales y oxidante, muestra se secó temperatura ambiente 48 h. Resultante compuesto PANI/esponja exhibió cambio color amarillo a verde oscuro, y carga PANI ~35% peso (determinada por diferencia peso).

Ensamblaje sensor

Compuesto PANI/esponja 2 × 2 × 2 cm³ entre dos electrodos cobre (lámina cobre). Alambres cobre soldados a electrodos y conectados a medidor alta resistencia Keithley 6487 para mediciones eléctricas.

Caracterización

Microscopía electrónica barrido (SEM, JEOL JSM-7500F) y espectroscopía Raman (Renishaw inVia Plus, láser 532 nm) examinaron morfología y estructura. Propiedades eléctricas midieron con sistema Keithley 6487.

Resultados y discusión

Propiedades morfológicas y estructurales

Imágenes SEM revelan esponja prístina muestra marco poroso interconectado liso, mientras esponja recubierta PANI muestra superficie rugosa densamente cubierta con nanorramas. Nano-recubrimiento PANI estructurado aumenta área superficial específica compuesto y mejora conductividad eléctrica. Compuesto posee arquitectura poro multi-jerárquica comprendiendo microporos esponja y nanoporosidad introducida por ramas PANI.

Espectroscopía Raman

Espectro Raman compuesto muestra picos característicos PANI a 1486, 1407, 1216 y 1163 cm⁻¹, correspondientes a estiramiento C=C/C=N, estiramiento C-N y flexión C-N respectivamente. Banda a 1588 cm⁻¹ confirma estiramiento C-C. Estas características confirman polimerización exitosa PANI sobre andamio esponja.

Test sensibilidad presión

Bajo presión cíclica, resistencia compuesto disminuye bruscamente con carga aplicada y recupera inmediatamente tras liberación. Cambio resistencia relativo (ΔR/R₀) aumenta 0 a 13 kPa, con sensibilidad 8,0 kPa⁻¹ en rango 0-8 kPa y 54,5 kPa⁻¹ en rango 8-13 kPa. Mecanismo sensorial atribuido a reducción inducida compresión de resistencia contacto dentro red porosa.

Estabilidad y recuperabilidad

Bajo ciclos carga-descarga continuos hasta 12 mm compresión, sensor exhibe respuesta lineal corriente-presión, recuperación rápida dentro 35 s, e histéresis despreciable, demostrando excelente durabilidad para aplicaciones vestibles.

Detección flexión dedo

Montando sensor 2 × 1 × 0,5 cm³ en guante goma, dispositivo rastrea precisamente flexión y liberación dedo, con picos corriente claros, repetibles correlacionando eventos flexión, subrayando idoneidad robótica blanda y monitoreo movimiento humano.

Sensor gas sensibilidad ajustable

Variando pre-compresión compuesto dentro cámara sellada, sensibilidad detección NH₃ puede ajustarse. Mayor compresión reduce volumen poro y tasa difusión, llevando a tiempos respuesta mayores y corrientes estado-estacionario menores. Este comportamiento controlable surge de densidad contacto interna ajustable, ofreciendo medio directo para adaptar rendimiento sensor gas.

Conclusiones

Hemos demostrado método facil, escalable para fabricar compuesto jerárquico PANI/PU esponja que funciona como sensor presión alta sensibilidad, bajo costo y sensor NH₃ gas sintonizable. Arquitectura flexible, porosa entrega respuesta rápida, excelente recuperabilidad y rendimiento detección gas ajustable, haciéndolo candidato prometedor para dispositivos sensores vestibles y portables próxima generación.