Schnelle Herstellung hierarchisch poröser Polyanilin/Polyurethan-Schwamm-Komposite für flexible Druck- und einstellbare Gassensoren

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine kosteneffektive, in-situ Polymerisationsroute zur Herstellung eines multi-hierarchisch porösen Polyanilin (PANI) Komposits auf einem kommerziellen Polyurethan-Schwamm. Das Schwammgerüst bietet eine riesige vernetzte Oberfläche, die das Wachstum von PANI-Nanobranchen erleichtert und ein flexibles, hochoberflächiges Komposit ergibt. Als piezoresistiver Drucksensor zusammengebaut, zeigt das Material schnelles Ansprechverhalten, exzellente Erholung und eine Drucksensitivität, die von 8,0 kPa⁻¹ bei niedrigen Drücken auf 54,5 kPa⁻¹ über 8 kPa ansteigt. Zusätzlich dient das gleiche Komposit als Gassensor, dessen Empfindlichkeit gegenüber NH₃ durch Variation des applizierten Drucks einstellbar ist, dank der justierbaren internen Porendichte. Diese Arbeit demonstriert eine einfache, kostengünstige Methode zur Fertigung multifunktionaler Sensoren mit unkomplizierter Signalauslesung.

Hintergrund

Flexible Sensoren – umfassend Druck, Dehnung, Gas, Temperatur und Verschiebung – sind entscheidend für die nächste Generation tragbarer und faltbarer Geräte. Doch ihre Fertigung erfordert oft teure, mehrstufige Prozesse. Dreidimensionale (3D) Schwämme, besonders Polyurethan-Varianten, sind attraktive Alternativen wegen ihrer Elastizität, hoher spezifischer Oberfläche, niedriger Dichte und kostengünstiger Produktion. Kombiniert mit leitfähigen Füllstoffen wurden Schwämme in Drucksensoren, Superkondensatoren und Ölabsorber eingesetzt. Leitfähige Polymere, insbesondere Polyanilin (PANI), sind für Sensoren vorteilhaft aufgrund ihrer intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit, mechanischen Robustheit und großen Oberfläche. PANI kann via Dotierung oder in-situ Polymerisation synthetisiert werden, letztere bietet einen skalierbareren und effektiveren Weg.

Piezoresistive Drucksensoren wandeln mechanische Verformung in Widerstandsänderungen um und werden für ihr einfaches Design und niedrige Kosten geschätzt. Das Sensierprinzip basiert auf Modulation der Kontaktpfade im leitfähigen Netzwerk. Für Gassensing wird PANI's Leitfähigkeit durch Protonierungs/Dotierungsänderungen bei Interaktion mit alkalischen Gasen wie NH₃ moduliert, was die Anzahl der Ladungsträger reduziert und den Widerstand erhöht.

In dieser Studie nutzen wir in-situ Polymerisation, um ein poröses PANI-Netzwerk auf einem Polyurethan-Schwamm wachsen zu lassen, wodurch ein Komposit entsteht, das simultan als hochleistungsfähiger Drucksensor und einstellbarer NH₃-Gassensor dient.

Methoden

Materialien

Ammoniumpersulfat (APS, M_w = 228,20 g mol⁻¹), 5-Sulfosalicylsäure (SSA, M_w = 254,22 g mol⁻¹) und Anilin (M_w = 93,13 g mol⁻¹) stammten von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Kommerzieller Polyurethan-Schwamm (Domaxe, China) diente als Gerüst.

Herstellung des PANI/Schwamm-Komposits

Das Polymerisationsgemisch wurde hergestellt, indem 2,5422 g SSA und 1,8626 g Anilin in 50 ml deionisiertem Wasser gelöst und 20 min magnetisch gerührt wurden. Der Schwamm wurde eingetaucht, und 4,5640 g APS in 50 ml deionisiertem Wasser wurde langsam zugegeben, um homogene Mischung zu gewährleisten. Die Reaktion lief bei 2 °C für 24 h. Nach Waschen mit deionisiertem Wasser zur Entfernung von Residualmonomeren und Oxidationsmittel wurde das Sample 48 h bei Raumtemperatur getrocknet. Das resultierende PANI/Schwamm-Komposit zeigte Farbwechsel von Gelb zu Dunkelgrün, und die PANI-Beladung betrug ~35 Gew.-% (bestimmt durch Gewichtsdifferenz).

Sensor-Assemblierung

Ein 2 × 2 × 2 cm³ PANI/Schwamm-Komposit wurde zwischen zwei Kupferelektroden (Kupferblech) eingeschlossen. Kupferdrähte wurden auf die Elektroden gelötet und an ein Keithley 6487 Hochwiderstandsmessgerät für elektrische Messungen angeschlossen.

Charakterisierung

Rasterelektronenmikroskopie (SEM, JEOL JSM-7500F) und Raman-Spektroskopie (Renishaw inVia Plus, 532 nm Laser) untersuchten Morphologie und Struktur. Elektrische Eigenschaften wurden mit einem Keithley 6487 System gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologische und Strukturelle Eigenschaften

SEM-Bilder zeigen, dass der reine Schwamm ein glattes, vernetztes poröses Gerüst aufweist, während der PANI-beschichtete Schwamm eine raue Oberfläche aufweist, dicht bedeckt mit Nanobranchen. Die nanostrukturierte PANI-Beschichtung erhöht die spezifische Oberfläche des Komposits und verbessert die elektrische Leitfähigkeit. Das Komposit besitzt eine multi-hierarchische Porenarchitektur, bestehend aus Mikroporen des Schwamms und Nanoporosität, eingeführt durch die PANI-Branchen.

Raman-Spektroskopie

Das Raman-Spektrum des Komposits zeigt charakteristische PANI-Peaks bei 1486, 1407, 1216 und 1163 cm⁻¹, korrespondierend zu C=C/C=N-Streckung, C–N-Streckung und C–N-Biegung. Eine Bande bei 1588 cm⁻¹ bestätigt C–C-Streckung. Diese Features bestätigen erfolgreiche Polymerisation von PANI auf dem Schwammgerüst.

Drucksensitivitäts-Test

Bei zyklischem Druck nimmt der Widerstand des Komposits scharf mit applizierter Last ab und erholt sich sofort bei Entlastung. Die relative Widerstandsänderung (ΔR/R₀) steigt von 0 auf 13 kPa, mit einer Sensitivität von 8,0 kPa⁻¹ im 0–8 kPa Bereich und 54,5 kPa⁻¹ im 8–13 kPa Bereich. Der Sensiermechanismus wird der kompressionsinduzierten Reduktion des Kontaktwiderstands im porösen Netzwerk zugeschrieben.

Stabilität und Erholung

Unter kontinuierlichen Belastungs-Entlastungszyklen bis 12 mm Kompression zeigt der Sensor lineare Strom-Druck-Antwort, schnelle Erholung innerhalb 35 s und vernachlässigbare Hysterese, was exzellente Haltbarkeit für Wearable-Anwendungen demonstriert.

Fingerbiege-Detektion

Montage eines 2 × 1 × 0,5 cm³ Sensors auf einem Gummihandschuh ermöglicht präzises Tracking von Fingerbeugung und -streckung, mit klaren, reproduzierbaren Stromspitzen, die Biegeereignisse korrelieren, was Eignung für Soft Robotics und Human-Motion-Monitoring unterstreicht.

Einstellbarer Gassensor

Durch Variation der Vor-Kompression des Komposits in einer versiegelten Kammer kann die NH₃-Detektionsempfindlichkeit abgestimmt werden. Höhere Kompression reduziert Porenvolumen und Diffusionsrate, was zu längeren Ansprechzeiten und niedrigeren stationären Strömen führt. Dieses kontrollierbare Verhalten resultiert aus der einstellbaren internen Kontakt-Dichte und bietet einen direkten Weg, Gassensor-Leistung anzupassen.

Schlussfolgerungen

Wir haben eine facile, skalierbare Methode demonstriert, um ein hierarchisches PANI/PU-Schwamm-Komposit herzustellen, das als hochsensitiver, kostengünstiger Drucksensor und einstellbarer NH₃-Gassensor fungiert. Die flexible, poröse Architektur liefert schnelles Ansprechen, exzellente Erholung und justierbare Gassensing-Leistung, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für tragbare und portable Sensorik der nächsten Generation macht.