Fabrication rapide de composites éponge polyaniline/polyuréthane poreux hiérarchiques pour capteurs de pression flexibles et gaz tunables

Résumé

Nous présentons une voie de polymérisation in situ rentable pour produire un composite de polyaniline (PANI) multi-hiérarchique poreux sur une éponge de polyuréthane commerciale. L'échafaudage d'éponge offre une vaste surface interconnectée qui facilite la croissance de nanobranches PANI, produisant un composite flexible à haute surface spécifique. Assemblé en capteur piézorésistif de pression, le matériau exhibe une réponse rapide, une excellente récupérabilité et une sensibilité à la pression qui passe de 8,0 kPa⁻¹ à basses pressions à 54,5 kPa⁻¹ au-dessus de 8 kPa. De plus, le même composite sert de capteur de gaz dont la sensibilité au NH₃ peut être ajustée en variant la pression appliquée, grâce à la densité de pores interne ajustable. Ce travail démontre une méthode facile et peu coûteuse pour fabriquer des capteurs multifonctionnels avec collecte de signal directe.

Contexte

Les capteurs flexibles — englobant pression, contrainte, gaz, température et déplacement — sont pivots pour la prochaine génération de dispositifs portables et pliables. Pourtant, leur fabrication nécessite souvent des processus coûteux à multiples étapes. Les éponges tridimensionnelles (3D), particulièrement les variantes polyuréthane, sont des alternatives attractives en raison de leur élasticité, surface spécifique élevée, faible densité et production peu coûteuse. Combinées avec des charges conductrices, les éponges ont été employées dans capteurs de pression, supercondensateurs et absorbants d'huile. Les polymères conducteurs, particulièrement la polyaniline (PANI), sont avantageux pour les capteurs en raison de leur conductivité électrique intrinsèque, robustesse mécanique et grande surface spécifique. Le PANI peut être synthétisé via dopage ou polymérisation in situ, cette dernière offrant une voie plus évolutive et efficace.

Les capteurs de pression piézorésistifs convertissent la déformation mécanique en changements de résistance et sont prisés pour leur design simple et faible coût. Le principe de détection repose sur la modulation des voies de contact au sein du réseau conducteur. Pour la détection de gaz, la conductivité du PANI est modulée par des changements de protonation/dopage lors de l'interaction avec des gaz alcalins tels que NH₃, qui réduit le nombre de porteurs de charge et augmente la résistance.

Dans cette étude, nous exploitons la polymérisation in situ pour cultiver un réseau PANI poreux sur une éponge polyuréthane, produisant un composite qui sert simultanément de capteur de pression haute performance et de capteur de gaz NH₃ à sensibilité ajustable.

Méthodes

Matériaux

Persulfate d'ammonium (APS, M_w = 228,20 g mol⁻¹), acide 5-sulfosalicylique (SSA, M_w = 254,22 g mol⁻¹) et aniline (M_w = 93,13 g mol⁻¹) provenaient de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Chine). Éponge polyuréthane commerciale (Domaxe, Chine) était utilisée comme échafaudage.

Préparation du composite PANI/éponge

Le mélange de polymérisation était préparé en dissolvant 2,5422 g SSA et 1,8626 g aniline dans 50 mL d'eau déionisée, suivi d'agitation magnétique pendant 20 min. L'éponge était alors submergée, et 4,5640 g APS dissous dans 50 mL d'eau déionisée était ajouté lentement pour assurer un mélange homogène. La réaction était menée à 2 °C pendant 24 h. Après lavage à l'eau déionisée pour éliminer les monomères résiduels et l'oxydant, l'échantillon était séché à température ambiante pendant 48 h. Le composite PANI/éponge résultant exhibait un changement de couleur du jaune au vert foncé, et le chargement PANI était ~35 % massique (déterminé par différence de poids).

Assemblage du capteur

Un composite PANI/éponge de 2 × 2 × 2 cm³ était placé entre deux électrodes en cuivre (feuille de cuivre). Des fils de cuivre étaient soudés sur les électrodes et connectés à un multimètre haute résistance Keithley 6487 pour mesures électriques.

Caractérisation

La microscopie électronique à balayage (MEB, JEOL JSM-7500F) et la spectroscopie Raman (Renishaw inVia Plus, laser 532 nm) étaient employées pour examiner la morphologie et la structure. Les propriétés électriques étaient mesurées avec un système Keithley 6487.

Résultats et discussion

Propriétés morphologiques et structurales

Les images MEB révèlent que l'éponge pristine affiche un cadre poreux interconnecté lisse, tandis que l'éponge revêtue PANI montre une surface rugueuse densément couverte de nanobranches. Le revêtement PANI nanostructuré augmente la surface spécifique du composite et améliore la conductivité électrique. Le composite possède une architecture de pores multi-hiérarchique comprenant les micropores de l'éponge et la nanoporosité introduite par les branches PANI.

Spectroscopie Raman

Le spectre Raman du composite affiche les pics caractéristiques PANI à 1486, 1407, 1216 et 1163 cm⁻¹, correspondant à l'étirement C=C/C=N, étirement C-N et flexion C-N respectivement. Une bande à 1588 cm⁻¹ confirme l'étirement C-C. Ces caractéristiques confirment la polymérisation réussie du PANI sur l'échafaudage d'éponge.

Test de sensibilité à la pression

Lorsqu'il est soumis à une pression cyclique, la résistance du composite diminue fortement avec la charge appliquée et récupère immédiatement au relâchement. Le changement de résistance relatif (ΔR/R₀) augmente de 0 à 13 kPa, avec une sensibilité de 8,0 kPa⁻¹ dans la gamme 0–8 kPa et 54,5 kPa⁻¹ dans la gamme 8–13 kPa. Le mécanisme de détection est attribué à la réduction de la résistance de contact induite par compression au sein du réseau poreux.

Stabilité et récupérabilité

Sous cycles continus chargement-déchargement jusqu'à 12 mm de compression, le capteur exhibe une réponse courant-pression linéaire, une récupération rapide dans les 35 s, et un hystérésis négligeable, démontrant une excellente durabilité pour applications portables.

Détection de flexion du doigt

En montant un capteur 2 × 1 × 0,5 cm³ sur un gant en caoutchouc, le dispositif suit précisément la flexion et le relâchement du doigt, avec des pics de courant clairs et reproductibles corrélés aux événements de flexion, soulignant son adéquation pour la robotique douce et la surveillance du mouvement humain.

Capteur de gaz à sensibilité ajustable

En variant la pré-compression du composite dans une chambre scellée, la sensibilité de détection NH₃ peut être ajustée. Une compression plus élevée réduit le volume des pores et le taux de diffusion, menant à des temps de réponse plus longs et des courants d'état stationnaire plus bas. Ce comportement contrôlable provient de la densité de contact interne ajustable, offrant un moyen direct d'adapter la performance du capteur de gaz.

Conclusions

Nous avons démontré une méthode facile et évolutive pour fabriquer un composite PANI/PU éponge hiérarchique qui fonctionne comme capteur de pression haute sensibilité, faible coût et capteur de gaz NH₃ tunable. L'architecture flexible et poreuse délivre une réponse rapide, une excellente récupérabilité et une performance de détection de gaz ajustable, en faisant un candidat prometteur pour les dispositifs de détection portables et portables de prochaine génération.