具有取向結(jié)構(gòu)的柔性力敏材料

Partone柔性力敏材料概述隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,柔性導(dǎo)體作為可穿戴電子織物的重要組成之一,受到了廣泛的關(guān)注。其中,具有可拉伸性(或可壓縮性)、導(dǎo)電性及應(yīng)力敏感性的聚合物基柔性力敏材料成為研究重點。聚合物基柔性力敏材料具有不同的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如取向結(jié)構(gòu)、互鎖結(jié)構(gòu)、開放網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、盤繞結(jié)構(gòu)和海綿結(jié)構(gòu)等,這些不同的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會決定聚合物基柔性力敏材料的電學(xué)、力敏性及力學(xué)等性能。其中取向結(jié)構(gòu)是指導(dǎo)電填料或基體取向或部分取向,賦予柔性力敏材料更加優(yōu)異的電學(xué)性能、靈敏性能及力學(xué)性能;與擁有其它導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的聚合物基柔性力敏材料相比,具有取向結(jié)構(gòu)的聚合物基柔性力敏材料可以降低力敏材料的滲流閾值,提高其力敏性,在柔性力敏材料中具有巨大的應(yīng)用潛力。Parttwo制備方法2.1基于陣列結(jié)構(gòu)與柔性聚合物復(fù)合制備柔性力敏材料在應(yīng)用具有陣列結(jié)構(gòu)納米材料制備柔性力敏材料時,主要有2種方式:直接利用陣列結(jié)構(gòu)和從陣列結(jié)構(gòu)中抽取二維(2D)結(jié)構(gòu)的薄膜。

陣列結(jié)構(gòu)是指在基板上原位生長的定向規(guī)整排列結(jié)構(gòu),其中納米材料取向性較好、純度較高、長度和直徑分布均勻,并且比無序分布的納米材料有著更短的電子傳輸路徑及更小的電荷轉(zhuǎn)移電阻,有利于納米材料的優(yōu)良性能在使用時得到充分發(fā)揮。Fig.1(a)Schematicillustrationofthefabricationprocessoftheflexiblepressuresensor;(b)keystepsinfabricatingoftheCNTs/PDMSstrainsenso2.1.1直接利用陣列結(jié)構(gòu)以刻蝕的基板為模板原位生長了具有凸起結(jié)構(gòu)的CNTs陣列,然后將2片CNTs陣列分別負(fù)載于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基體上,利用凸起結(jié)構(gòu)在外力作用下的接觸與分離實現(xiàn)柔性力敏傳感,如Fig.1(a)所示。該傳感器能承受的最大壓力為5kPa,并且可經(jīng)歷5000次的壓縮-釋放循環(huán);當(dāng)外界所施加的壓力范圍在0～0.7kPa時,壓敏系數(shù)為0.3kPa-1。2.1.2從陣列結(jié)構(gòu)中抽取二維(2D)結(jié)構(gòu)的薄膜CNTs薄膜是從超順排列CNTs陣列中抽取出的一種2D結(jié)構(gòu)薄膜,其密度低,在一定的厚度范圍內(nèi)有著優(yōu)異的電導(dǎo)性和透光率,并且隨著薄膜的厚度增加其會從半導(dǎo)體的性質(zhì)向金屬性轉(zhuǎn)變。將CNTs薄膜片以“肩壓肩”的方式平鋪在基體PDMS的表面,薄膜片中CNTs的取向方向與拉伸方向垂直,如Fig.1(b)所示。當(dāng)復(fù)合材料受到拉力作用時,CNTs薄膜分裂成許多的島狀結(jié)構(gòu),由于島狀結(jié)構(gòu)之間的CNTs束連接,材料內(nèi)部的導(dǎo)電通路在受到大的應(yīng)變時不會輕易斷開,其能承受高達280%的應(yīng)變,是傳統(tǒng)金屬傳感器的50倍;但其最高的靈敏系數(shù)(GF)只有0.82,且由于CNTs薄膜的厚度達到微米級別,故該材料是不透明的。2.2

基于靜電紡絲法制備柔性力敏材料靜電紡絲是一種特殊的纖維制造工藝,聚合物溶液或熔體在強電場中進行噴射紡絲,在電場作用下,針頭處的液滴會由球形變?yōu)閳A錐形(即“泰勒錐”),并從圓錐尖端延展得到直徑可達到納米級別纖維細絲,通過不同的收集方式可得到微纖維取向的薄膜。與其它的取向方法相比,靜電紡絲法主要是將高分子化合物取向,然后通過附著在高分子纖維表面的導(dǎo)電填料或取向的導(dǎo)電高分子纖維實現(xiàn)電學(xué)及力敏性能。Fig.2FabricationprocessofmicrofibrousmembranescastedwithPANI基于靜電紡絲法并利用導(dǎo)電聚合物與柔性基體形變性能的差異,制備了一種基于裂縫結(jié)構(gòu)的高靈敏性可拉伸應(yīng)變傳感器。如Fig.2所示,首先利用平行平板收集器制備了取向的靜電紡絲PU微纖維薄膜,然后苯胺單體在薄膜表面原位聚合形成包覆在PU薄膜表面的聚苯胺(PANI)。在拉伸時PU比外部涂層PANI能承受更大的應(yīng)變,使得整個復(fù)合材料在拉伸過程中PAIN涂層產(chǎn)生裂紋,實現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)電性的變化,這種材料的應(yīng)變可達50%。與未取向微纖維的復(fù)合材料相比,取向的復(fù)合材料的GF提高了40余倍,達到14。不過由于PAIN涂層的裂紋形成后無法復(fù)原,因此這種復(fù)合材料的可重復(fù)性也受到了限制。Partthree性能的表征柔性力敏材料內(nèi)部取向結(jié)構(gòu)的存在使得導(dǎo)電復(fù)合材料的電學(xué)、力敏及力學(xué)性能等在平行于取向方向上和垂直于取向方向上產(chǎn)生差異,從而使得材料表現(xiàn)出各向異性。3.1電學(xué)性能:當(dāng)導(dǎo)電填料的含量在一定的范圍時,柔性力敏材料中的取向結(jié)構(gòu)會使在取向方向上形成的導(dǎo)電通路更為完整,電子的轉(zhuǎn)移可以在連續(xù)的導(dǎo)電通路之中進行;而在垂直于取向的方向上,導(dǎo)電填料間的接觸顯著少于取向方向上的接觸,其導(dǎo)電通路以一種不連續(xù)的相互分離的狀態(tài)存在,使得取向?qū)щ姀?fù)合材料在取向方向上的電導(dǎo)性優(yōu)于垂直于取向方向的電導(dǎo)性。研究了導(dǎo)電填料含量不同的電場取向CNTs/PSF復(fù)合材料在平行于電場方向和垂直于電場方向上的材料的電導(dǎo)性。CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.5%時,復(fù)合材料在平行于取向方向上的電導(dǎo)率要高于垂直于取向方向的電導(dǎo)率,當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時,平行于取向方向上的電導(dǎo)率是垂直于取向方向上的105倍。3.2力敏性能:取向復(fù)合材料的導(dǎo)電性的各異性使得材料在受到應(yīng)力過程中電阻的變化產(chǎn)生各向異性,也就是取向復(fù)合材料的靈敏性的各項異性,靈敏性通常用GF值來表示。研究了電場取向CNTs/聚合物納米復(fù)合材料靈敏性的各向異性,該復(fù)合材料的基體由雙甲基丙烯酸尿烷酯(UDMA)和1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯(HDDMA)共聚而成。平行于取向方向上的導(dǎo)電通路比垂直于取向方向上的導(dǎo)電通路更加完整,因此在受到相同的應(yīng)變作用時,導(dǎo)電復(fù)合材料的阻值變化在平行于取向方向上所受的影響比垂直于取向方向上的小。這種復(fù)合材料在沿著取向方向上的GF值為2;在垂直于取向方向上的GF值為10,是取向方向上的GF值的5倍。3.3力學(xué)性能:當(dāng)具有取向結(jié)構(gòu)的柔性導(dǎo)電復(fù)合材料受到平行或垂直于取向方向上的拉伸作用力時,其內(nèi)部的取向?qū)щ娞盍蠈Ω叻肿拥淖饔檬遣煌?這會導(dǎo)致取向復(fù)合材料在平行于取向方向和垂直于取向方向的力學(xué)性能產(chǎn)生差異。研究了電場取向CNTs/聚偏氟乙烯(PVDF)柔性導(dǎo)電復(fù)合材料的力學(xué)性能。與隨機分布的CNTs/PVDF復(fù)合材料相比,取向CNTs/PVDF復(fù)合材料在平行于取向方向上的彈性模量提高了26%,極限拉伸強度(UTS)提高了30%;在垂直于取向方向上的彈性模量提高了28%,UTS提高了46%。Partfour總結(jié)本文介紹了目前常用的具有取向結(jié)構(gòu)的柔性力敏材料的兩種制備方法,包括陣列結(jié)構(gòu)與柔性高分子基體復(fù)合、靜電紡絲法。并列