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聚氨酯基三维复合传感材料制备及应用研究

聚氨酯基三维复合传感材料制备及应用研究

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作者：盖博文北京化工大学

学位级别：硕士

现代柔性电子器件领域,柔性压阻式传感器在电子皮肤、健康监测及人机交互等领域应用广泛。然而,压阻式传感材料在多功能集成、响应时间、检测范围及机械稳定性等方面仍存在不足,因此需进一步提升材料功能化和智能化,以推动其更广泛的应... 详细信息

现代柔性电子器件领域,柔性压阻式传感器在电子皮肤、健康监测及人机交互等领域应用广泛。然而,压阻式传感材料在多功能集成、响应时间、检测范围及机械稳定性等方面仍存在不足,因此需进一步提升材料功能化和智能化,以推动其更广泛的应用。聚氨酯泡沫（PUF）作为高性能三维柔性材料,以其轻质低密、透气优良、机械性能稳定以及出色的柔韧性等特点而备受关注。PUF具有的三维网状结构和开放式的泡孔设计,为负载功能性填料提供了良好的支撑和容纳空间。本文从制备柔性衬底材料PUF出发,将PUF与导电填料组装成导电聚氨酯泡沫复合材料,应用于多功能柔性压阻式传感器,并根据材料特性进一步拓展传感材料应用领域,开启其在未来科技领域更广阔的应用前景。具体研究内容如下:（1）选用高分子量多官能度聚醚多元醇（PPG）、甲苯二异氰酸酯（TDI）和多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI）作为核心原料,通过反应注射成型工艺（RIM）制备聚氨酯泡沫。研究结果显示:异氰酸酯指数（R值）调整至1.05时,聚氨酯泡沫具有良好的三维网状结构,表观密度为39.2 kg m-3,开孔率为96.7%,泡沫分子链的交联结构,使其初始热分解温度达到246℃,最大热分解温度为388℃,拉伸强度为1.4 MPa,100%定伸强度为0.65 MPa,压缩强度（70%应变）为28.2 k Pa,具有良好的柔韧性和与皮肤贴合时的舒适性。因此,最终选取R值为1.05的聚氨酯泡沫作为后续两章柔性压阻式传感器的柔性衬底材料。（2）选用还原氧化石墨烯（RGO）和聚苯胺（PANI）作为导电填料,导电填料通过浸涂工艺吸附在PUF的泡沫骨架上,再将水性聚氨酯（WPU）涂覆在RGO/PANI/PUF的表面上,得到RP-PUF导电复合材料。研究结果表明:RP-PUF具有牢固且稳定的三维导电通路,最大分解温度为402℃,经过100次70%应变压缩后,应力保留率为98%,具有良好的抗疲劳性能,表面微纳米粗糙界面使得水接触角增大到133°,显著提高传感材料的环境适应性,燃烧过程中RGO形成的碳层能够发挥隔离作用,有效遏制空气进一步渗透,LOI值提高到22.5%,RP-PUF传感材料展现出了优异的可逆刺激响应、短响应时间（0.39 s）以及长期传感应用的稳定性,能够精准检测人体部位运动变化,记录步行运动数据。（3）模拟植物组织细胞璧和液泡结构,选用聚乙烯醇（PVA）和吡咯（Py）作为前驱液,浸渍入PUF泡孔中,通过冻融和原位氧化工艺,制备出PPy/PVA/PUF复合材料,再在碱性环境下利用Fe2+/Fe3+离子化学共沉淀引入Fe3O4,得到Fe3O4/PPy/PVA/PUF（Fe3O4/PPy水海绵）。研究数据表明:Fe3O4/PPy水海绵具有0-70%的宽应变适用范围,70%应变下的压缩强度为192 k Pa,饱和磁化强度为8.48 emu g-1,在8-12 GHz波段电磁屏蔽效能为26.3 d B,传感应用中Fe3O4/PPy水海绵压力灵敏度为-16.11 kΩk Pa-1,感应响应和恢复时间分别为150和100 ms,经过2000 s的循环压缩后,能够维持良好的可逆响应,具备出色的稳定性和耐久性,可有效检测人体关节运动信号变化。此外,Fe3O4/PPy水海绵传感材料同时具备良好的吸水性和光热转换能力,Fe3O4的存在使复合材料在磁场中的定向迁移成为可能,拓展了其在磁响应光热材料领域中的应用。

关键词：聚氨酯泡沫三维结构浸渍组装导电压阻式传感

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高弹性三维石墨烯复合传感材料的制备及研究

高弹性三维石墨烯复合传感材料的制备及研究

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作者：缪海鹏南京邮电大学

学位级别：硕士

随着5G时代的到来,可穿戴应力/应变传感在人工智能设备、电子皮肤、人体健康监测等领域有很大的应用需求。近年来开发宽量程、高灵敏度、良好稳定性的应力/应变传感材料逐渐成为人们的研究热点。高弹性三维石墨烯复合材料呈现出独特的... 详细信息

随着5G时代的到来,可穿戴应力/应变传感在人工智能设备、电子皮肤、人体健康监测等领域有很大的应用需求。近年来开发宽量程、高灵敏度、良好稳定性的应力/应变传感材料逐渐成为人们的研究热点。高弹性三维石墨烯复合材料呈现出独特的三维空间结构,这种三维网络骨架能够提供连续的导电通道,在压缩/回复过程中由于导电骨架的接触面积发生变化而导致材料的电阻率发生改变,进而产生电信号传感响应。目前制备的高弹性三维石墨烯复合传感材料制备工艺复杂,其机械性能与传感性能往往不能同时达到理想状态。本文采用价格低廉、易获得、具有高弹性的聚氨酯海绵作为骨架材料,通过简单的溶液浸渍法和自组装法工艺在海绵中负载石墨烯等材料,来提高传感材料的灵敏度和稳定性。本论文的研究主要包括:(1)通过溶液浸渍法在聚氨酯海绵骨架上负载氧化石墨烯,并以碘化氢还原获得基于聚氨酯海绵的三维导电网络,进一步通过自组装法在三维骨架间形成大片层还原氧化石墨烯结构。微观形貌表征显示还原氧化石墨烯片层可以在聚氨酯骨架上和骨架间负载均匀,并且压缩/回复过程中,其三维连续结构能够得到较好的保持。传感性能测试显示,应力/应变与电阻率变化呈现多段线性关系响应,应变传感范围为0～80%,灵敏度最高可达1.73;应力传感范围为0～30 k Pa,灵敏度最高可达0.072 k Pa。在80%应变下进行1000次压缩循环,其电阻变化率仍然能达到80%。手臂、手肘、手指、膝盖舒张以及弯曲状态下能够检测到相应的电阻变化响应。(2)通过溶液浸渍法在聚氨酯海绵骨架上负载聚氨酯-石墨烯,聚氨酯能够起到胶粘剂的作用,增强石墨烯片层在海绵骨架上的附着力,提高在压缩/回复过程中导电网络的结构稳定性。微观形貌显示聚氨酯可以均匀分布于石墨烯片层间。传感性能测试显示,在0～80%的应变范围内和0～45 k Pa的应力范围内,呈现出多段线性响应。在80%应变下进行1000次压缩循环,其电阻变化率能达到88%。并且在进行人体动作监控的过程中,可实时反馈肢体动作的电信号变化。

关键词：三维石墨烯聚氨酯海绵高弹性压阻式传感应力/应变响应

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