聚吡咯修饰织物的低温界面聚合制备与柔性电子应用

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柔性电子器件近年来受到了研究者的广泛关注,它可通过缝制在衣物上,贴合在皮肤上,甚至植入体内发挥其功能。织物因质轻、柔软、耐磨、保暖和舒适等特性,被认为是柔性电子器件基底的理想备选材料。然而,要实现织物在柔性电子领域的应用尚需解决其功能化的问题。如能通过简单的方法赋予织物导电、传感、储能等功能,并根据织物特点实现柔性电子器件的定制,将极大地促进织物基柔性电子器件的实际应用。聚吡咯(polypyrrole,PPy)是一种常见的无毒导电聚合物,可通过低温界面聚合法在不同基底上原位生成,并形成致密的PPy涂层。本论文通过在不同织物上进行PPy的低温界面聚合,以期验证此种PPy制备方法对织物的普遍适用性,并针对织物的特性设计了不同应用,分别制备了基于PPy修饰织物的柔性应变传感器和柔性超级电容器。本论文的主要研究内容如下:1.聚吡咯修饰可拉伸织物的低温界面聚合制备及其应变传感器应用本研究使用低温界面聚合方法将PPy成功修饰于聚酯纤维/氨纶织物、棉织物和蚕丝织物上,选取拉伸性能最优的弹性聚酯纤维/氨纶织物制备了具有宽检测范围和高灵敏度的应变传感器,并应用于人体运动和呼吸监测。扫描电子显微镜(SEM),傅立叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)数据证明,PPy被密集均匀地修饰在织物上。所制备的织物的电阻为21.25Ωcm-2,可作导体点亮LED灯。而且该导电织物在180°的弯曲和500次的弯曲和扭曲后,电阻不发生明显变化。该传感器的线性拉伸范围为0到71%,此区间内的应变系数为-0.46。传感器的电阻变化与施加的应变之间呈负相关。在26%的应变下经过200次拉伸/回复后,传感响应没有明显变化。织物应变传感器与志愿者身体贴合或缝制在志愿者的衣服上,可以灵敏地检测到手指、肘部和膝盖的弯曲,并区分深呼吸、正常呼吸和快速呼吸。本研究制备的传感器在实际应用中具有巨大潜力,可用于实时监测人体运动和生理信号。这项工作不仅证实PPy低温界面聚合法对织物的普遍适用性,也为基于PPy修饰织物基应变传感器的制备提供了一种简便可行的方法。2.聚吡咯修饰织物的低温界面聚合制备及其柔性超级电容器应用本研究选择莱卡/锦纶织物作为基底,使用低温界面聚合法将PPy成功聚合于织物上。SEM,FTIR和TGA证明PPy密集均匀地修饰在织物上。所制备的织物的电阻为10Ω/cm~2。以该织物作为集流体和活性材料,成功构建了三明治结构的PPy修饰织物基柔性全固态超级电容器。当充放电电流密度为1 m A cm-2时,超级电容器的电容为7.5 m F cm-2。经过500圈充放电循环,其电容保持率为76.8%。器件可耐受多次弯曲与扭曲。在扭曲100次后,电容保持率为90%。在弯曲100次后,电容保持率为94.2%。在拉伸后,该器件电容急剧下降。推测此现象是源于固化电解质未能匹配织物电极的拉伸,两者之间接触松弛导致。此研究进一步证实了PPy低温界面聚合对织物的普遍适用性,也探索了PPy修饰织物基可拉伸超级电容器的可行性,为后续的工作进行了铺垫。本论文通过将PPy低温界面聚合法与多种织物集合,构建了性能良好、实际应用性强的传感和储能器件,拓展了织物在柔性可穿戴电子领域的应用,也为可穿戴电子器件的构建提供了新的思路。此外,在上述研究的基础上,在论文的附录部分还探究了以丝素蛋白(silk fibroin,SF)为电解质制备柔性超级电容器的可行性,重点阐述了锂离子对丝素蛋白的二级结构和器件最终性能的影响。
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