具有取向结构的柔性力敏材料

Partone柔性力敏材料概述随着科学技术的发展,柔性导体作为可穿戴电子织物的重要组成之一,受到了广泛的关注。其中,具有可拉伸性(或可压缩性)、导电性及应力敏感性的聚合物基柔性力敏材料成为研究重点。聚合物基柔性力敏材料具有不同的导电网络结构,如取向结构、互锁结构、开放网格结构、盘绕结构和海绵结构等,这些不同的导电网络结构会决定聚合物基柔性力敏材料的电学、力敏性及力学等性能。其中取向结构是指导电填料或基体取向或部分取向,赋予柔性力敏材料更加优异的电学性能、灵敏性能及力学性能;与拥有其它导电网络的聚合物基柔性力敏材料相比,具有取向结构的聚合物基柔性力敏材料可以降低力敏材料的渗流阈值,提高其力敏性,在柔性力敏材料中具有巨大的应用潜力。Parttwo制备方法2.1基于阵列结构与柔性聚合物复合制备柔性力敏材料在应用具有阵列结构纳米材料制备柔性力敏材料时,主要有2种方式:直接利用阵列结构和从阵列结构中抽取二维(2D)结构的薄膜。

阵列结构是指在基板上原位生长的定向规整排列结构,其中纳米材料取向性较好、纯度较高、长度和直径分布均匀,并且比无序分布的纳米材料有着更短的电子传输路径及更小的电荷转移电阻,有利于纳米材料的优良性能在使用时得到充分发挥。Fig.1(a)Schematicillustrationofthefabricationprocessoftheflexiblepressuresensor;(b)keystepsinfabricatingoftheCNTs/PDMSstrainsenso2.1.1直接利用阵列结构以刻蚀的基板为模板原位生长了具有凸起结构的CNTs阵列,然后将2片CNTs阵列分别负载于聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体上,利用凸起结构在外力作用下的接触与分离实现柔性力敏传感,如Fig.1(a)所示。该传感器能承受的最大压力为5kPa,并且可经历5000次的压缩-释放循环;当外界所施加的压力范围在0～0.7kPa时,压敏系数为0.3kPa-1。2.1.2从阵列结构中抽取二维(2D)结构的薄膜CNTs薄膜是从超顺排列CNTs阵列中抽取出的一种2D结构薄膜,其密度低,在一定的厚度范围内有着优异的电导性和透光率,并且随着薄膜的厚度增加其会从半导体的性质向金属性转变。将CNTs薄膜片以“肩压肩”的方式平铺在基体PDMS的表面,薄膜片中CNTs的取向方向与拉伸方向垂直,如Fig.1(b)所示。当复合材料受到拉力作用时,CNTs薄膜分裂成许多的岛状结构,由于岛状结构之间的CNTs束连接,材料内部的导电通路在受到大的应变时不会轻易断开,其能承受高达280%的应变,是传统金属传感器的50倍;但其最高的灵敏系数(GF)只有0.82,且由于CNTs薄膜的厚度达到微米级别,故该材料是不透明的。2.2

基于静电纺丝法制备柔性力敏材料静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝,在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”),并从圆锥尖端延展得到直径可达到纳米级别纤维细丝,通过不同的收集方式可得到微纤维取向的薄膜。与其它的取向方法相比,静电纺丝法主要是将高分子化合物取向,然后通过附着在高分子纤维表面的导电填料或取向的导电高分子纤维实现电学及力敏性能。Fig.2FabricationprocessofmicrofibrousmembranescastedwithPANI基于静电纺丝法并利用导电聚合物与柔性基体形变性能的差异,制备了一种基于裂缝结构的高灵敏性可拉伸应变传感器。如Fig.2所示,首先利用平行平板收集器制备了取向的静电纺丝PU微纤维薄膜,然后苯胺单体在薄膜表面原位聚合形成包覆在PU薄膜表面的聚苯胺(PANI)。在拉伸时PU比外部涂层PANI能承受更大的应变,使得整个复合材料在拉伸过程中PAIN涂层产生裂纹,实现复合材料导电性的变化,这种材料的应变可达50%。与未取向微纤维的复合材料相比,取向的复合材料的GF提高了40余倍,达到14。不过由于PAIN涂层的裂纹形成后无法复原,因此这种复合材料的可重复性也受到了限制。Partthree性能的表征柔性力敏材料内部取向结构的存在使得导电复合材料的电学、力敏及力学性能等在平行于取向方向上和垂直于取向方向上产生差异,从而使得材料表现出各向异性。3.1电学性能:当导电填料的含量在一定的范围时,柔性力敏材料中的取向结构会使在取向方向上形成的导电通路更为完整,电子的转移可以在连续的导电通路之中进行;而在垂直于取向的方向上,导电填料间的接触显著少于取向方向上的接触,其导电通路以一种不连续的相互分离的状态存在,使得取向导电复合材料在取向方向上的电导性优于垂直于取向方向的电导性。研究了导电填料含量不同的电场取向CNTs/PSF复合材料在平行于电场方向和垂直于电场方向上的材料的电导性。CNTs质量分数为0～0.5%时,复合材料在平行于取向方向上的电导率要高于垂直于取向方向的电导率,当填料质量分数为0.2%时,平行于取向方向上的电导率是垂直于取向方向上的105倍。3.2力敏性能:取向复合材料的导电性的各异性使得材料在受到应力过程中电阻的变化产生各向异性,也就是取向复合材料的灵敏性的各项异性,灵敏性通常用GF值来表示。研究了电场取向CNTs/聚合物纳米复合材料灵敏性的各向异性,该复合材料的基体由双甲基丙烯酸尿烷酯(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导电通路比垂直于取向方向上的导电通路更加完整,因此在受到相同的应变作用时,导电复合材料的阻值变化在平行于取向方向上所受的影响比垂直于取向方向上的小。这种复合材料在沿着取向方向上的GF值为2;在垂直于取向方向上的GF值为10,是取向方向上的GF值的5倍。3.3力学性能:当具有取向结构的柔性导电复合材料受到平行或垂直于取向方向上的拉伸作用力时,其内部的取向导电填料对高分子的作用是不同的,这会导致取向复合材料在平行于取向方向和垂直于取向方向的力学性能产生差异。研究了电场取向CNTs/聚偏氟乙烯(PVDF)柔性导电复合材料的力学性能。与随机分布的CNTs/PVDF复合材料相比,取向CNTs/PVDF复合材料在平行于取向方向上的弹性模量提高了26%,极限拉伸强度(UTS)提高了30%;在垂直于取向方向上的弹性模量提高了28%,UTS提高了46%。Partfour总结本文介绍了目前常用的具有取向结构的柔性力敏材料的两种制备方法,包括阵列结构与柔性高分子基体复合、静电纺丝法。并列