Hochdehnbarer, elektrisch leitfähiger TPU-PANI Nanofaser-Membran für fortschrittliche flexible Dehnungssensoren

Zusammenfassung

Wir haben einen thermoplastischen Polyurethan (TPU) nanofasrigen Verbundstoff entwickelt, der in situ mit Polyanilin (PANI) via Elektrospinnen funktionalisiert wurde, um einen flexiblen Dehnungssensor zu schaffen, der Dehnungen bis zu 165 % mit schneller Reaktion und Langzeitstabilität standhält. Der Verbund behält konsistente Leitfähigkeit über einen breiten Temperaturbereich bei und passt sich nicht-planaren Oberflächen an, was einen kostengünstigen, skalierbaren Weg zu hochleistungsfähigen tragbaren Sensoren und leitfähigen Substraten bietet.

Hintergrund

Nanofasrige Membranen werden für ihre große spezifische Oberfläche, hohe Porosität, Elastizität und überlegene mechanische Eigenschaften geschätzt, was sie attraktiv für Gewebegerüste, Schutzbekleidung, Arzneimittelabgabesysteme und elektronische Geräte macht. Unter Fertigungstechniken sticht Elektrospinnen durch seine Einfachheit, Erschwinglichkeit und Vielseitigkeit bei der Herstellung von Vliesmatten hervor. Allerdings erfordert die Erreichung elektrischer Leitfähigkeit in solchen Membranen typischerweise die Einbindung leitfähiger Polymere oder kohlenstoffbasierter Halbleiter. Polyanilin (PANI) bietet hohe Leitfähigkeit, leidet aber unter begrenzter Elastizität aufgrund seines polaren Rückgrats. Thermoplastisches Polyurethan (TPU) bietet ausgezeichnete Dehnbarkeit und Abriebfestigkeit. Durch Kombination von TPU mit PANI durch in-situ-Polymerisation zielen wir darauf ab, PANIs Sprödigkeit zu überwinden, während die hohe Elastizität von TPU erhalten bleibt, wodurch ein Verbundstoff für tragbare Dehnungssensoren und dehnbare Leiter geschaffen wird.

Experimentell

Herstellung der PANI/TPU Nanofaser-Membran

Die Fertigung erfolgt in drei Stufen. Zunächst wird eine TPU-Lösung hergestellt, indem 2,4 g TPU in 8,8 g N,N-Dimethylformamid (DMF) und 8,8 g Tetrahydrofuran (THF) gelöst und 5 h gerührt werden, bis sie homogen ist. Elektrospinnen wird bei 10–12 cm Nadel-Sammler-Abstand, 12 kV und 15 µl min⁻¹ Förderrate durchgeführt, mit Walzensammler für gleichmäßige Dicke. Die resultierende TPU-Matte wird dann PANI-Polymerisation unterzogen: 4,6 g Ammoniumpersulfat (APS) wird in 50 ml deionisiertem Wasser gelöst (Lösung A); 1,875 g Anilin und 2,54 g Sulfosalicylsäure (SSA) werden in 50 ml DI Wasser gelöst (Lösung B). Die TPU-Membran (10 cm × 10 cm) wird in Lösung B getaucht, gefolgt von langsamer Zugabe von Lösung A unter Rühren bei Raumtemperatur für 30 min. Nach 12 h bei 275 K wird die Membran gewaschen, 48 h bei Raumtemperatur getrocknet und wird zum grünen PANI/TPU-Verbund.

Sensormontage

Der Sensor wird gefertigt, indem eine 1 cm × 2 cm × 0,05 cm Verbundmembran zwischen zwei PDMS-Folien (1,5 cm × 3 cm × 0,05 cm) eingebettet wird, um die Fasern zu schützen. Kupferleitungen werden mit Silberpaste verbunden, und die aktive Breite beträgt 15 mm mit 1,5 mm Elektrodenabstand. Siehe Schema unten.

Charakterisierung wird durchgeführt mit optischer Mikroskopie (Olympus BX51), SEM (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), dynamisch-mechanischem Analysator (TA Q-800), Keithley 6485 Hochwiderstandsmessgerät und PPMS (Quantum Design) für temperaturabhängige Studien.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologie und Zusammensetzung

Die reine TPU-Matte zeigt ein gleichmäßiges, hochelastisches fasriges Netzwerk. Nach Polymerisation wird die Membran tiefgrün (Abbildung 2a,b) und SEM zeigt PANI-Partikel, die die Faseroberflächen dekorieren (Abbildung 2d). FTIR-Spektren bestätigen das Vorhandensein von PANI: neue Bänder bei 3250 cm⁻¹ (N-H-Streckung) und 1514 cm⁻¹ (C=C aromatisch) erscheinen im Verbund, abwesend in reinem TPU (Abbildung 3).

Dehnbarkeit und Empfindlichkeit

Der PANI/TPU-Sensor zeigt ausgezeichnete Elastizität, toleriert Dehnungen bis zu 165 % bei Beibehaltung linearer I-V-Kennlinien (Abbildung 4a). Der Strom nimmt mit zunehmender Dehnung allmählich ab, was einen einstellbaren Widerstand für Dehnungssensorik anzeigt (Abbildung 4b). Mechanische Tests zeigen, dass die Spannungs-Dehnungs-Kurve des Verbunds aus einem elastischen Bereich (0–19 %), einem plastischen Plateau (19–140 %) und einem ultimativen Bruch bei ~165 % besteht (Abbildung 5). Die Zugfestigkeit steigt auf 1,93 MPa relativ zu TPU allein, obwohl die Dehnung bei Bruch leicht abnimmt aufgrund der spröden Natur von PANI.

Der Dehnungsfaktor (GF) wird berechnet als GF = (ΔR/R₀)/ε. Der Verbund zeigt einen GF von 6,73 im elastischen Regime (0–120 %) und 49,51 im plastischen Regime (120–150 %), was hohe Empfindlichkeit anzeigt, besonders im Vergleich zu PANI/PVDF-Sensoren (GF ≈ 1) und überlegen vielen polymeren Sensoren, wenn auch niedriger als ultradünnes Silicium oder PEDOT:PSS/PVA-Folien.

Stabilitätstests unter konstanter 30,7 % Dehnung demonstrieren nahezu perfekte Stromrückgewinnung über Zeit, was exzellente Wiederholbarkeit bestätigt. Belastungstests über 1000 Zyklen zeigen vernachlässigbare Änderungen in I-V-Kennlinien, was Haltbarkeit belegt.

Biegsamkeit und Temperaturstabilität

Bei Biegung auf Substraten mit Krümmung von 0 bis 0,4 mm⁻¹ variiert die I-V-Antwort minimal (Abbildung 7a), was Eignung für nicht-planare Anwendungen belegt. Temperaturzyklen von 240 K bis 360 K resultieren in nur moderaten Widerstandsänderungen (2,97 kΩ bis 1,60 kΩ), was robuste Leistung über typische Umgebungsbereiche anzeigt (Abbildung 8).

Finger-Bewegungsdetektion

Die hohe Empfindlichkeit des Sensors ermöglicht Detektion von Fingerbiegen und -loslassen. In einem 2000-Zyklen-Test erreicht der Strom scharfe Peaks beim Biegen und kehrt zum Basiswert beim Loslassen zurück (Abbildung 9a). Ein einfacher LED-Schaltkreis demonstriert Echtzeit-Visuelles Feedback: Die LED behält Helligkeit bei milder Biegung und dimmt mit zunehmender Zugdehnung, was eine niedrig-komplexe Anzeige des Dehnungszustands bietet (Abbildung 10).

Schlussfolgerungen

Wir haben einen einfachen, kostengünstigen Fertigungsweg für einen hochdehnbaren, elektrisch leitfähigen TPU-PANI nanofasrigen Verbund demonstriert. Der resultierende Dehnungssensor detektiert zuverlässig Dehnungen bis zu 165 % mit schneller, wiederholbarer Antwort, behält Leitfähigkeit über ein breites Temperaturfenster bei und kann in tragbare oder flexible elektronische Systeme integriert werden. Sein geringes Gewicht, niedrige Kosten und robuste Leistung machen ihn zu einer attraktiven Plattform für nächste-Generation tragbare Biosensorik und flexible Schaltkreise.

Abkürzungen

DI Wasser

Deionisiertes Wasser

PANI

Polyanilin

TPU

Thermoplastisches Polyurethan