聚吡咯的界面聚合及其在可穿戴材料中的功能化应用

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与传统刚性材料相比,柔性电子材料具有可变形性,与柔性物体、弯曲表面的贴合性好等优势而备受关注。其中,与人类活动息息相关的柔性可穿戴材料主要包括可穿戴传感器、柔性电路以及可穿戴储能器件等功能化模块,实现这些模块的全柔性化有利于实现真正意义上的柔性可穿戴。聚吡咯(PPy)作为导电高分子具有柔性好、成本低、制备过程简单等优点,在功能材料领域具有广泛的应用。本论文利用PPy界面聚合加强其与柔性基底的相互作用,围绕高稳定传感性能压阻纤维、柔性导体以及可拉伸储能器件材料的结构设计与性能提升展开研究,推动PPy在可穿戴材料中的功能化应用。针对纤维状柔性压敏传感材料表面难以构筑各向同性分布褶皱的问题,本研究利用溶胀-原位聚合-收缩过程中PPy导电层和聚氨酯(TPU)纤维之间的模量失配,成功制备表面具有各向同性分布褶皱结构的PPy@TPU纤维。研究发现,由于各向同性褶皱结构的存在,在压力作用下PPy@TPU纤维之间的搭接单元保持点对点的接触变化,同时纤维表面PPy褶皱与TPU纤维之间具有较好的界面结合。该传感纤维不仅表现出较高的灵敏度(0.041 k Pa-1),快速响应性(响应时间小于47 ms),还具有出色的传感稳定性(循环次数3000次以上)。该PPy@TPU纤维对不同大小和频率的应力均有较好的响应性能,可用于监测脉搏、四肢压力以及关节运动等人体活动。针对柔性导体线路界面不稳定问题,采用超声分散和化学氧化聚合的方法在聚氨酯(TPU)基材上成功制备了基于聚吡咯@液态金属(PPy@LM)核壳粒子的柔性导体。研究表明,超声时间为20 min时,LM微液滴粒径分布较窄,平均粒径为214 nm;氧化反应20 min后,单位长度线路电阻为15.15 kΩ/cm。液态金属(LM)具有较高的导电性,当基于PPy@LM核壳粒子的柔性线路受到机械力作用时,包裹在内部的LM流出使线路电阻降至280Ω/cm。利用吡咯与TPU之间良好的浸润性,界面聚合后制备的PPy可加强线路和基材之间的界面作用,所制备柔性导体在变形时具有优异的稳定性,弯曲循环5000次(弯曲角度为180°)后,电阻降低6.3%。该材料可作可穿戴压力传感系统中的柔性导体材料。利用PPy优异的赝电容特性,通过在可拉伸集流体(Ni/LM和VHBTM胶带)的表面电化学沉积PPy成功制备了本征可拉伸PPy@Ni/LM超级电容器电极材料。当电沉积时间为20 min时,该电极材料具有良好的电化学性能,比容量达162.34 m F/cm~2(10m V/s)。组装成超级电容器后,比容量达28.76 m F/cm~2(10 m V/s),循环测试1000次后容量保持率在80%以上。同时,组装后的柔性超级电容器具有较好的可拉伸性。当弯曲变形对应的圆心角为360°时,其比容量保持率高达94.4%。当拉伸应变小于20%时,比电容保持率达98.21%;拉伸应变50%时循环100次后,比容量保持率为82.70%。表明其在不同形变下能够保持良好的电化学性能,有望用作可穿戴压力传感系统中的可拉伸储能材料。
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