Fabricación sencilla de un compuesto de polianilina poroso multi-jerárquico como sensor de presión y sensor de gas con sensibilidad ajustable

Resultados y discusión

Propiedades morfológicas y estructurales

Las figuras 3a, cy las figuras 3b, d muestran imágenes SEM de esponja prístina y esponja polimerizada in situ con diferentes aumentos, respectivamente. Se puede ver que la estructura porosa interconectada proporciona una superficie suficiente para el crecimiento de nanobranquias de PANI. El material compuesto después de la polimerización presenta una superficie rugosa, mientras que la esponja prístina es lisa, lo que indica que las micro / nanoestructuras de PANI han crecido. Con un gran aumento, las nanoramas de PANI se podían ver claramente en la superficie de la esponja. Durante el proceso de polimerización in situ, debido a la falta de uniformidad intrínseca de PANI, se generan algunas protuberancias en la membrana PANI [27], y luego, nanobranches PANI podrían crecer in situ sobre la estructura de la esponja con una adhesión adecuada por compatibilidad interfacial. El recubrimiento PANI nanoestructurado ayuda al composite a mejorar su conductividad eléctrica. Mientras tanto, las nano-ramas especiales hacen que el material compuesto tenga una superficie específica mayor, de modo que el material compuesto puede mostrar excelentes propiedades en algunas aplicaciones que dependen del contacto. Además, este compuesto PANI / esponja tiene una interesante estructura porosa multi-jerárquica, que está compuesta por la esponja con microporos (Fig. 3b) y las ramas de PANI con nano-poros (Fig. 3d).

Imágenes SEM de a , c esponja prístina y b , d esponja después de la polimerización in situ

Espectros Raman

Los espectros Raman de la esponja prístina y el compuesto PANI / esponja se representan en la Fig. 4. De acuerdo con las posiciones de los picos característicos del compuesto PANI / esponja, los espectros exhiben la mayoría de las características del PANI. La banda alrededor de 1486, 1407, 1216 y 1163 cm ⁻¹ se asignan a quinondiimina. Banda 1486 cm ⁻¹ corresponde a C =C y C =N vibración de estiramiento aliada, banda 1407 y 1216 cm ⁻¹ corresponden a la vibración de estiramiento C – N y la banda 1163 cm ⁻¹ corresponde a la vibración de flexión C – N, respectivamente. Además, la banda a 1329 cm ⁻¹ representa la vibración de estiramiento C – N de la fenilendiamina. La banda alrededor de 1588 cm ⁻¹ se asigna a la vibración de estiramiento C – C (la región correspondiente es de 1550 a 1650 cm ⁻¹ ). Los resultados confirman la polimerización exitosa y la existencia de PANI en esponja.

Espectro Raman de esponja prístina y esponja después de la polimerización in situ

Prueba de sensibilidad a la presión

Para demostrar la sensibilidad a la presión, se exploró la variación de resistencia del compuesto PANI / esponja con la presión aplicada sobre la superficie. El compuesto con tamaño 3D de 2 × 2 × 2 cm ³ fue intercalado por dos electrodos de cobre (como se muestra en la Fig. 2), y la electricidad se registró con la aplicación de presión en los dos electrodos.

En primer lugar, se lleva a cabo una exploración simple mediante una respuesta cíclica de eliminación de presión (Fig. 5) del sensor PANI / esponja con una polarización fija de 5 V, y hay una deformación compresiva de aproximadamente 2 mm forzada por el dedo. Como se muestra en la Fig. 5, la corriente alcanza el valor pico rápidamente con la aplicación de presión y, a medida que se libera, podría recuperarse al valor inicial inmediatamente y se mantiene en una buena estabilidad. Mientras tanto, la sensibilidad y la capacidad de recuperación no se ven afectadas por múltiples ciclos de comunicados de prensa. Por otro lado, los picos no son uniformes, lo que puede deberse a las pequeñas fluctuaciones de las deformaciones por compresión, ya que la presión del dedo humano no es absolutamente uniforme. Para demostrar sistemáticamente la sensibilidad de PANI / esponja a diferentes presiones, las relaciones de variación de la resistencia electrónica calculadas sobre la base de los datos medidos se muestran en la Fig. 6 (a). Aquí, Δ R / R ₀ =( R ₀ - R ) / R ₀ , donde R ₀ y R denotar la resistencia en condición de liberación y presión. Se puede ver que el cambio relativo de resistencia aumenta cuando se presiona el PANI / esponja de 0 a 13 kPa. Además, a partir de la pendiente de la curva A, la sensibilidad a la presión S ( S = δ (Δ R / R ₀ ) / δP , donde P denotar la presión aplicada) [13], que es un índice importante para reflejar el rendimiento de un sensor de presión, podría calcularse en aproximadamente 8.0 (0-8 kPa) y aproximadamente 54.5 (8-13 kPa). Confirmamos que el mecanismo de detección del compuesto PANI / esponja es el cambio de estructura microporosa interna. Aquí, para facilitar la operación, se propone la distancia de compresión para caracterizar la resistencia de las presiones aplicadas, y la relación correspondiente de presión y deformación por compresión se ilustra en la Fig. 6 (b).

Respuesta cíclica de eliminación de presión del PANI / esponja con una deformación por compresión de aproximadamente 2 mm forzada por el dedo

A Curva de respuesta a la presión del sensor PANI / esponja y B la correspondiente curva de relación de deformación por presión y compresión

Para demostrar el mecanismo de detección piezorresistivo del compuesto conductor PANI / esponja, se representa un diagrama esquemático simple (Fig. 7) para simular el cambio de contacto microporoso de la estructura de la esponja. Con el aumento de presión, los microporos se aplastan y se contactan más estrechamente entre sí. Particularmente, la estructura microporosa podría recuperar su condición previa con la liberación de presión. Aquí, la resistencia se reduce con el aumento de presión y podría volver al valor inicial después de la liberación. Por tanto, la variación de contacto interno de la estructura porosa conductora da como resultado el cambio de resistencia, que genera la sensibilidad piezorresistiva. Para ilustrar la variación de contacto visualmente, las imágenes SEM de la estructura microporosa bajo diferentes grados de presión se muestran en la Fig. 8a – d. Además, no hay descamación de PANI en las pruebas, como se demuestra en la Fig. 8e (imágenes SEM del compuesto después de múltiples presiones), las micro / nanoestructuras de PANI podrían mantener una adhesión adecuada a la esponja después de las pruebas cíclicas.

Esquema de detección de presión de PANI / compuesto de esponja

Imágenes SEM de estructura microporosa de compuesto PANI / esponja bajo diferentes presiones con una relación de compresión aproximada de a 0%, b 20%, c 40% y d 60%. e Imágenes SEM del compuesto después de múltiples presiones con diferentes aumentos

Un sensor de presión debe estar equipado con capacidades de buena estabilidad y recuperabilidad. Con el fin de demostrar las características de estabilidad y recuperabilidad, se prueban las respuestas de corriente a diferentes presiones bajo un sesgo fijo de 5 V. Como se muestra en la figura 9a, la corriente casi muestra una respuesta del revestimiento a la deformación por compresión de 0 a 12 mm y de nuevo a 0 mm; mientras tanto, tiene una respuesta rápida y una buena estabilidad a las presiones ascendentes y descendentes, además, solo existe una pequeña desviación entre una prueba ascendente y descendente continua. Sin embargo, surge una clara diferencia entre 250 ~ 300 sy 320 ~ 360 s. Inferimos que esta desviación puede deberse a dos razones principales. Una es que puede haber una calidad de histéresis cuando el material compuesto se recupera repentinamente de la mayor deformación. El otro es el posible error operativo en la prueba, que conduce a una distancia de compresión mayor que la de 250 ~ 300 s. Para caracterizar la estabilidad y recuperabilidad más directamente, la Fig. 9b demuestra las respuestas actuales a la presión de carga y descarga con diferentes intensidades. A partir de las curvas de respuesta del círculo, las respuestas compuestas a las presiones inmediatamente y la corriente podrían recuperarse completamente al valor inicial dentro de los 35 s después de retirar la presión. Puede verse en la Fig. 9 que la corriente aumenta al aumentar la presión y disminuye al disminuir la presión, lo cual es consistente con el mecanismo sensor piezorresistivo ilustrado en lo anterior. Estos resultados indican que el compuesto de esponja / PANI flexible y sensible es potencialmente aplicable en sensores de presión, que pueden usarse en piel artificial de bajo costo y ropa inteligente [13, 34, 1].

Prueba de estabilidad y recuperabilidad del sensor PANI / esponja. un Respuestas de corriente a diferentes presiones con deformación por compresión de 0 a 12 mm y de nuevo a 0 mm. b Respuestas actuales a la presión de carga y descarga con diferentes intensidades

Aplicación en la detección de flexión y liberación de dedos

Hoy en día, los sensores de presión de bajo costo con alta sensibilidad y la flexibilidad adecuada son muy deseables en dispositivos portátiles y portátiles. Aquí, el simple sensor PANI / esponja (2 × 1 × 0,5 cm ³ ) se fija en un guante de goma a la articulación del dedo índice. La respuesta de corriente se registra mientras el probador realiza operaciones de flexión y liberación del dedo con un sesgo fijo de 5 V. En la figura 10 se muestran varias respuestas de corriente de ciclo. El dedo se dobla y se libera rápidamente en este proceso. Se nota que la corriente aumenta bruscamente cuando el dedo se dobla repentinamente. Cuando se suelta el dedo, la corriente presenta una reducción significativa y recupera su valor original. Los grados de flexión de cada dedo no son exactamente iguales, por lo que los picos de corriente en cada punto de flexión tienen una pequeña diferencia. La sensibilidad y repetibilidad de las respuestas actuales indican que el sensor es confiable y capaz de dispositivos de detección flexibles en algunos dispositivos portátiles y portátiles de bajo costo.

Respuestas actuales de detección de movimiento de liberación de flexión de dedos con un sesgo fijo de 5 V

Aplicación en sensor de gas de sensibilidad ajustable

Los compuestos PANI se han explorado ampliamente como materiales de detección de gases por su mecanismo de conducción único. Sin embargo, los informes relacionados sobre el sensor de gas basado en PANI se centran principalmente en una sensibilidad fija o única. Aquí, basado en la estructura porosa flexible y la reacción de NH ₃ moléculas con PANI dopado con protones, investigamos la posible aplicación del compuesto PANI / esponja en la sensibilidad ajustable NH ₃ sensor de gas. Mediante el control de la densidad de contacto interno de la estructura porosa conductora (como se muestra en la Fig. 8), el volumen de difusión y la tasa de entrada de aire se pueden ajustar para lograr el propósito de sensibilidad ajustable. El sensor compuesto de esponja / PANI intercalado bajo diferentes presiones se colocó en una caja cerrada (con un tamaño de 30 × 30 × 30 cm ³ ) y se puso en contacto con el sistema de medidor de alta resistencia Keithley 6487 externo a través de un cable de cobre. NH ₃ fue producido por la volatilización natural de 1 ml de solución de amoniaco añadida en caja. La Figura 11 muestra la respuesta compuesta PANI / esponja en tiempo real al aire interior y al NH ₃ , que indica que el grado de compresión afecta la sensibilidad de NH ₃ detección. Desde el tiempo actual ( I - t ) curvas, se puede ver que las resistencias compuestas con la difusión de NH ₃ son obviamente más altos que en el aire interior. Además, es obvio que a medida que aumenta el grado de compresión, la resistencia compuesta y el tiempo de respuesta al estado estable aumentan gradualmente bajo el mismo NH ₃ atmósfera, lo que indica que la sensibilidad podría ser ajustada por la porosidad de contacto interno. A medida que aumenta la presión, aumenta la densidad de contacto interno de la estructura porosa conductora, lo que conduce a una disminución tanto del volumen de difusión como de la velocidad de difusión del NH ₃ afluencia; por lo tanto, bajo la misma concentración, el tiempo de respuesta a NH ₃ se extiende. Además, la corriente inicial aumenta con el aumento de presión debido a la disminución de la tasa de entrada de NH ₃ . Por otro lado, debido a que el contenido de NH ₃ en la caja cerrada es el mismo, la corriente del compuesto podría alcanzar un valor pequeño eventualmente, es decir, desdopado de PANI por NH ₃ alcanzaría un nivel similar.

NH ₃ detección de propiedades del compuesto PANI / esponja bajo diferentes presiones

Conclusiones

En conclusión, presentamos un método sencillo a través de la polimerización in situ para preparar el compuesto de esponja / PANI que podría usarse en un sensor de presión de buen rendimiento y un sensor de gas de sensibilidad ajustable. La estructura porosa interconectada flexible ayudó al material compuesto a mostrar una buena sensibilidad y recuperabilidad a la presión. Además, el sensor flexible basado en PANI / esponja mostró un buen desempeño en la detección de flexión de dedos y NH ₃ detección con sensibilidad ajustable. Este trabajo puede proporcionar un enfoque factible para fabricar dispositivos portátiles y ponibles eficientes con las ventajas de bajo costo, fácil preparación y fácil recolección de señales.

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