多级结构导电高分子复合材料的构建及电容传感器性能研究

作     者：岳天宁 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王明

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电容式传感 距离传感 导电聚合物复合材料 应变传感器 

摘      要：随着计算机科学以及智能材料微纳加工技术的飞速发展,以智能机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起,能够感知周围环境,实现人体-仪器设备-环境之间高智能化人机交互的柔性电子传感器越来越多地进入公众的视野。在众多传感器研究中,柔性电容式传感器的研究备受关注。但是传统的电容式传感器结构单一,测量范围较窄且功能单一。为了克服这些困难,在电容式传感器的导电层引入微结构来提升灵敏度与检出限度,引入新型导电材料聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯磺酸(PEDOT:PSS),并研究其多功能传感性。通过水溶性聚合物与碳纳米管的复合拉丝,制备可回收传感器。(1)首先在传统平面结构的聚氨酯/多壁碳纳米管(PU/MWCNT)电容传感器中引入表面褶皱结构,利用表面凸起的微结构增加比表面积从而增强边缘效应,提高了材料对非绝缘物体的距离响应灵敏度和检测限度。而当外力使材料发生变形时,由于介电层的厚度减小,使得传感器的电容发生变化,特别是含有表面微结构的传感器,其对微小压力也会产生较大的刺激响应。并且材料对动态和静态测量下都能体现出一定的稳定性。相对于平面结构的传感器,其非接触和接触传感性能都有一定的提升。(2)进一步,我们采用非模板的微结构制作方法,在水性聚氨酯与PEDOT:PSS复合体系中构建大面积表面含有气孔的导电层。由于气孔的引入增加了材料的边缘效应且降低材料的硬度,材料对距离和压力响应性能都有所提升。此外,材料也具有优异的弯曲响应性能,对在90角度内的弯曲都有较大线性响应。由于材料具备很好的柔韧性,能在人的手指上连续反复的弯曲且响应性能稳定。另一方面,由于PEDOT:PSS本身对温度敏感,使得材料还具备温度响应性能,赋予材料多功能的特性,温度响应从室温到98℃下都存在良好的单调变化。除此之外传感器还能对复合类型的刺激产生反应,如温度-压力(热冷水滴),压力-靠近距离等,使其有潜在的人体健康检测应用价值。研究还发现材料具有优异的电磁波屏蔽性能,且三层式的薄膜结构对电磁波的吸收能力明显高于单层的薄膜,因此传感器具有良好的电磁防护作用。(3)另外,我们用3D打印技术打印出含有微突的平板模具,利用该模具对配置好聚乙二醇PEG/MWCNT浓溶液进行手工拉丝,层层叠加形成三层结构电容传感器。相对于直接浇筑形成的PEG/MWCNT材料,纺丝出的复合材料其柔韧性有极大提升。通过对比距离传感、应力传感和水蒸汽传感性能,发现材料具有优异的距离传感性和水蒸汽传感性能。这是由于材料的表面积较大且疏松多孔,有利于增强边缘电场线和水蒸气接触面的原因。而压缩的传感性能较弱,是由于碳纳米管的分布不均匀导致电导率低且导电通路结构不理想。最后对材料进行回收研究发现,其能在水溶液的作用下完全溶解,经过超声分散,蒸发浓缩成浓溶液,然后直接对这些浓溶液再进行拉丝获得新的传感器。