柔性多孔导电聚合物复合材料的制备及其压阻效应研究

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柔性多孔导电聚合物复合材料(PCPC)可具有显著的压阻效应,是“可穿戴”器件的重要材料,在机器人、健康监测等领域都有着巨大的应用前景。目前,PCPC的制备方法主要有“浸渍法”及“冰固态模板法”,所制材料虽然具有低密度及压缩回弹性良好的特性,但材料的应变敏感系数(GF值)最高仅为3左右。论文提出并研究了一种以高内相乳液,“一步法”制备PCPC的新方法:分别以氧化石墨烯(GO)水分散液和柔性单体为高内相乳液的分散相和连续相;在聚合反应中,原位还原GO,增强的疏水性驱使还原氧化石墨烯(rGO)向“油/水”界面迁移;干燥后,rGO附着于材料腔壁表面,从而得到柔性PCPC。本文分别以0.5-5μm及2-10μm两种片层尺寸的GO为导电填料的前驱体,系统研究了Vitamin C还原GO的反应过程,进而考察了GO的尺寸及浓度,乳化剂的浓度及种类对PCPC微观形貌、力学性能、导电性能及压阻性能的影响。得出如下结论:1.GO的还原反应研究:聚合反应中,GO可被Vitamin C同步还原为具有优良导电性能的rGO;2.当GO的片层尺寸为0.5-5μm时:(1)同步还原得到的rGO覆盖材料的腔壁表面;rGO致使腔壁增强,PCPC形成闭孔结构;(2)材料的电导率均随着压缩应变而增大,具有压阻性能;(3)随着GO用量的增高(0.wt%~0.91 wt%,基于最终材料质量):材料的平均孔径略有降低,平均孔径介于37μm与87μm之间;材料电导率由4.70×10-5 S/m增大至5.93×10-3 S/m;应变灵敏度因子GF值呈现先减小后增大的趋势,但最大值仅为1.03;(4)提高乳化剂Span80用量(8 wt%~23 wt%):材料的平均孔径减少,比表面积增大,填料面密度降低,因此电导率降低,GF值呈现先减小后增大的趋势,但最大值仅为1.22;(5)以高表面活性乳化剂Hypermer A70替代Span80后,乳化剂用量对孔径的影响与Span80相同,但材料的平均孔径可降至7μm,因此相比Span80,材料模量更高,电导率降低两个量级;电导率随应变呈现无规改变;稀疏的填料网络对应变的响应灵敏度很低,GF值仅为0.2;加入增塑剂水杨酸甲酯后,SEM表明材料内rGO填料连通性增高,电导率增大,GF值略有增高。3.采用片层尺寸为2-10μm的GO时,材料的性能明显提升:(1)虽然GO用量对材料电导率的影响与片层尺寸为0.5-5μm的GO影响相同,但GO用量为0.59 wt%(0.048 vol%)时,材料出现渗流现象,此时材料的应力及应变灵敏度最大,5%应变时的灵敏度因子GF值高达6.0;(2)材料受循环应变时,电阻响应稳定,具有优良的机电稳定性,在可穿戴传感器件及医疗领域具有较大的应用潜力。
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