Membrana nanofibrilar TPU-PANI altamente elástica y conductor para sensores de deformación flexibles avanzados
Hemos diseñado un compuesto nanofibrilar de poliuretano termoplástico (TPU), funcionalizado in situ con polianilina (PANI) vía electrohilado, para crear un sensor de deformación flexible que soporta deformaciones hasta 165 % con respuesta rápida y estabilidad a largo plazo. El compuesto mantiene conductividad consistente en amplio rango de temperatura y se adapta a superficies no planas, ofreciendo una ruta de bajo costo y escalable a sensores vestibles de alto rendimiento y sustratos conductores. Las membranas nanofibrosas son valoradas por su gran área superficial específica, alta porosidad, elasticidad y propiedades mecánicas superiores, haciéndolas atractivas para andamios tisulares, ropa protectora, sistemas de administración de fármacos y dispositivos electrónicos. Entre técnicas de fabricación, el electrohilado destaca por su simplicidad, asequibilidad y versatilidad para producir esteras no tejidas. Sin embargo, lograr conductividad eléctrica en tales membranas típicamente requiere incorporar polímeros conductores o semiconductores basados en carbono. La polianilina (PANI) ofrece alta conductividad pero sufre de elasticidad limitada debido a su esqueleto polar. El poliuretano termoplástico (TPU) proporciona excelente elasticidad y resistencia a la abrasión. Al combinar TPU con PANI mediante polimerización in situ, apuntamos a superar la fragilidad de PANI mientras preservamos la alta elasticidad de TPU, creando así un compuesto adecuado para sensores de deformación vestibles y conductores elásticos. La fabricación procede en tres etapas. Primero, se prepara solución de TPU disolviendo 2,4 g TPU en 8,8 g N,N-dimetilformamida (DMF) y 8,8 g tetrahidrofurano (THF), luego se agita 5 h hasta homogeneizar. El electrohilado se realiza a distancia aguja-colector 10-12 cm, 12 kV, y tasa de alimentación 15 µL min⁻¹, con colector de rodillo para lograr espesor uniforme. La estera de TPU resultante se somete a polimerización de PANI: 4,6 g persulfato de amonio (APS) se disuelve en 50 mL agua desionizada (solución A); 1,875 g anilina y 2,54 g ácido sulfosalicílico (SSA) se disuelven en 50 mL agua DI (solución B). La membrana de TPU (10 cm × 10 cm) se sumerge en solución B, seguida de adición lenta de solución A mientras se agita a temperatura ambiente por 30 min. Tras 12 h a 275 K, la membrana se lava, seca 48 h a temperatura ambiente, y se convierte en compuesto verde PANI/TPU. El sensor se fabrica intercalando una membrana compuesta de 1 cm × 2 cm × 0,05 cm entre dos películas de PDMS (1,5 cm × 3 cm × 0,05 cm) para proteger las fibras. Conductores de cobre se unen con pasta de plata, y el ancho activo es 15 mm con espaciado de electrodos 1,5 mm. Ver esquema abajo. Figura 1. Esquema del proceso de ensamblaje del sensor. La caracterización se realiza usando microscopía óptica (Olympus BX51), SEM (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), analizador mecánico dinámico (TA Q-800), medidor de alta resistencia Keithley 6485, y PPMS (Quantum Design) para estudios dependientes de temperatura. La estera de TPU prístina muestra red fibrosa uniforme y altamente elástica. Tras polimerización, la membrana se vuelve verde oscuro (Figura 2a,b) y SEM revela partículas de PANI decorando superficies de fibra (Figura 2d). Espectros FTIR confirman presencia de PANI: nuevas bandas a 3250 cm⁻¹ (estiramiento N-H) y 1514 cm⁻¹ (C=C aromático) aparecen en el compuesto, ausentes en TPU puro (Figura 3). Figura 2. (a) Imagen óptica de membrana TPU. (b) Imagen óptica de membrana PANI/TPU. (c) SEM de TPU. (d) SEM de PANI/TPU. Figura 3. Espectros FTIR de membranas TPU y PANI/TPU. El sensor PANI/TPU exhibe excelente elasticidad, tolerando deformaciones hasta 165 % manteniendo características I-V lineales (Figura 4a). La corriente disminuye gradualmente con aumento de deformación, indicando resistencia ajustable adecuada para detección de deformación (Figura 4b). Pruebas mecánicas muestran que la curva tensión-deformación del compuesto comprende región elástica (0-19 %), meseta plástica (19-140 %) y rotura final a ~165 % (Figura 5). La resistencia a tracción sube a 1,93 MPa relativo a TPU solo, aunque deformación a rotura disminuye ligeramente debido a naturaleza frágil de PANI. Figura 4. (a) Curvas I-V a varias deformaciones. (b) Respuesta de corriente vs. deformación (sesgo 5 V). (c-d) Imágenes SEM de fibras sin deformar y deformadas. Figura 5. Curvas tensión-deformación de membranas TPU y PANI/TPU. El factor de galga (GF) se calcula como GF = (ΔR/R₀)/ε. El compuesto muestra GF de 6,73 en régimen elástico (0-120 %) y 49,51 en régimen plástico (120-150 %), indicando alta sensibilidad, especialmente comparado a sensores PANI/PVDF (GF ≈ 1) y superior a muchos sensores poliméricos, aunque menor que filmes ultrafinos de silicio o PEDOT:PSS/PVA. Figura 6. (a) Cambio de resistencia relativa vs. deformación. (b) Prueba de estabilidad a 30,7 % deformación. (c) I-V antes y después de 100 ciclos. (d) I-V después de 1000 ciclos. Pruebas de estabilidad bajo deformación constante 30,7 % demuestran recuperación casi perfecta de corriente en el tiempo, confirmando excelente repetibilidad. Pruebas de resistencia sobre 1000 ciclos muestran cambio insignificante en características I-V, atestiguando durabilidad. Al doblar sobre sustratos con curvatura de 0 a 0,4 mm⁻¹, la respuesta I-V varía mínimamente (Figura 7a), evidenciando idoneidad para aplicaciones no planares. Ciclado de temperatura de 240 K a 360 K resulta en solo cambios modestos de resistencia (2,97 kΩ a 1,60 kΩ), indicando rendimiento robusto en rangos ambientales típicos (Figura 8). Figura 7. (a) Curvas I-V bajo diferentes curvaturas. (b) Imágenes ópticas durante prueba de curvatura. Figura 8. Curvas I-V a varias temperaturas. La alta sensibilidad del sensor permite detección de flexión y liberación de dedos. En prueba de 2000 ciclos, la corriente pica agudamente al doblar y retorna a línea base al liberar (Figura 9a). Un circuito LED simple demuestra retroalimentación visual en tiempo real: el LED mantiene brillo bajo flexión leve y se atenúa con aumento de deformación tensil, ofreciendo visualización de estado de deformación de baja complejidad (Figura 10). Figura 9. (a) Corriente vs. tiempo durante flexión de dedo. (b) Fotografía del sensor vestible. Figura 10. (a) Brillo LED bajo varias curvaturas. (b) Brillo LED bajo deformación tensil 0-60 %. Hemos demostrado una ruta de fabricación fácil y de bajo costo para un compuesto nanofibrilar TPU-PANI altamente elástico y eléctricamente conductor. El sensor de deformación resultante detecta deformaciones hasta 165 % con respuesta rápida y repetible, mantiene conductividad en amplia ventana de temperatura y puede integrarse en sistemas electrónicos vestibles o flexibles. Su ligereza, bajo costo y rendimiento robusto lo convierten en plataforma atractiva para biosensores vestibles de próxima generación y circuitos flexibles.Resumen
Antecedentes
Experimental
Preparación de Membrana Nanofibrilar PANI/TPU
Ensamblaje del sensor
Resultados y Discusión
Morfología y Composición
Elasticidad y Sensibilidad
Flexibilidad y Estabilidad Térmica
Detección de Movimiento de Dedos
Conclusiones
Abreviaturas
Nanomateriales
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