自修复聚氨酯的制备及其在柔性传感器中的应用

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随着信息技术、人工智能的快速发展,特别是随着5G时代的到来,实现万物互联已是大势所趋,人们对于柔性可穿戴电子设备的需求也不断增加。其中柔性力学传感器作为可穿戴设备中人机交互的关键器件受到了广泛的关注和研究。普通的柔性力学传感器虽然具有良好的灵敏度和良好的可拉伸性,但在实际应用中往往要经历不断的机械变形,容易发生疲劳损伤或意外损伤,不仅使器件使用寿命缩短,而且大大降低了器件运行的可靠性。通过将自修复材料引入到力学传感器中有望解决这个问题,并已成为近年来国内外研究者关注的热点之一。然而目前已发表的自修复力学传感器大多使用水凝胶作为基底材料,强度低,不适于长期使用。本文以机械强度较高的自修复聚氨酯弹性体作为基体材料,通过不同的结构设计,并与银纳米线、石墨烯、碳纳米管等纳米材料和导电聚合物进行复合,制备得到了自修复柔性压力传感器和自修复柔性应力应变传感器,均在具有良好传感性能的同时,具有优异的自修复性能。具体研究内容如下:1、通过两步法合成了一种基于Diels-Alder可逆反应的自修复聚氨酯(PUDA)。以该自修复聚氨酯为基底,通过“三明治”结构设计制备得到了一种电容型压力传感器,其中,电极材料为PUDA与银纳米线(AgNWs)的复合材料。为了提高传感器的灵敏度,通过自制模板将波浪状微结构复制到其中一个电极上,并在介电层中加入石墨烯以提高介电层的介电常数。最后制备得到的柔性压力传感器在石墨烯含量为1.5 wt.%时灵敏度可达1.9 kPa-1,并具有良好的循环稳定性。受到机械损伤后在120oC加热10 min其灵敏度即可恢复70%以上。2、通过两步法合成了一种基于双硫交换反应的自修复聚氨酯(PUSS)。基于该自修复聚氨酯,通过盐模板法进行三维多孔结构成型,并通过在多孔结构表面原位聚合聚吡咯,制备了一种既可拉伸又可压缩的应力应变传感器。作为应变传感器其灵敏度因子最高可达GF=8.98,响应时间为100 ms以内,最低检测限为0.1%。作为应力传感器,其灵敏度最高可达S=6.47 kPa-1,响应时间为100 ms以内,最低检测限约为50 Pa。且两者均具有良好的循环稳定性。另外,在受到破坏后可通过自修复恢复其应力应变传感性能,且作为应力传感器其传感性能可得到100%的恢复。
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