Membrane nanofibreuse TPU-PANI hautement extensible et conductrice pour capteurs de contrainte flexibles avancés

Résumé

Nous avons conçu un composite nanofibreux de polyuréthane thermoplastique (TPU), fonctionnalisé in situ avec du polyaniline (PANI) via électrofilage, pour créer un capteur de contrainte flexible pouvant endurer des déformations jusqu'à 165 % avec réponse rapide et stabilité à long terme. Le composite maintient une conductivité constante sur une large gamme de températures et s'adapte aux surfaces non planes, offrant une voie peu coûteuse et évolutive vers la détection portable haute performance et les substrats conducteurs.

Contexte

Les membranes nanofibreuses sont prisées pour leur grande surface spécifique, haute porosité, élasticité et propriétés mécaniques supérieures, les rendant attractives pour les échafaudages tissulaires, vêtements de protection, systèmes d'administration de médicaments et dispositifs électroniques [1–10]. Parmi les techniques de fabrication, l'électrofilage se distingue par sa simplicité, abordabilité et versatilité dans la production de nattes non-tissées [11–15]. Cependant, atteindre la conductivité électrique dans de telles membranes nécessite généralement l'incorporation de polymères conducteurs ou de semi-conducteurs à base de carbone. Le polyaniline (PANI) offre une haute conductivité mais souffre d'élasticité limitée due à sa chaîne principale polaire [16]. Le polyuréthane thermoplastique (TPU) fournit une excellente extensibilité et résistance à l'abrasion [17]. En combinant TPU avec PANI par polymérisation in situ, nous visons à surmonter la fragilité du PANI tout en préservant la haute élasticité du TPU, créant ainsi un composite adapté aux capteurs de contrainte portables et conducteurs extensibles.

Expérimental

Préparation de la membrane nanofibreuse PANI/TPU

La fabrication se déroule en trois étapes. Premièrement, une solution de TPU est préparée en dissolvant 2,4 g TPU dans 8,8 g de N,N-diméthylformamide (DMF) et 8,8 g de tétrahydrofurane (THF), puis agitée pendant 5 h jusqu'à homogénéité. L'électrofilage est effectué à une distance aiguille-collecteur de 10–12 cm, 12 kV, et débit de 15 µL min⁻¹, avec un collecteur à rouleau pour atteindre une épaisseur uniforme. La natte TPU résultante est ensuite soumise à la polymérisation de PANI : 4,6 g de persulfate d'ammonium (APS) est dissous dans 50 mL d'eau déionisée (solution A) ; 1,875 g d'aniline et 2,54 g d'acide sulfosalicylique (SSA) sont dissous dans 50 mL d'eau DI (solution B). La membrane TPU (10 cm × 10 cm) est immergée dans la solution B, suivie de l'addition lente de la solution A sous agitation à température ambiante pendant 30 min. Après 12 h à 275 K, la membrane est lavée, séchée pendant 48 h à température ambiante, et devient le composite vert PANI/TPU.

Assemblage du capteur

Le capteur est fabriqué en sandwichant une membrane composite de 1 cm × 2 cm × 0,05 cm entre deux films PDMS (1,5 cm × 3 cm × 0,05 cm) pour protéger les fibres. Des fils en cuivre sont collés avec de la pâte d'argent, et la largeur active est de 15 mm avec un espacement d'électrodes de 1,5 mm. Voir le schéma ci-dessous.

La caractérisation est effectuée en utilisant la microscopie optique (Olympus BX51), MEB (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), un analyseur mécanique dynamique (TA Q-800), un multimètre haute résistance Keithley 6485, et un PPMS (Quantum Design) pour les études température-dépendantes.

Résultats et Discussion

Morphologie et composition

La natte TPU pure affiche un réseau fibreux uniforme et hautement élastique. Post-polymérisation, la membrane devient vert foncé (Figure 2a,b) et le MEB révèle des particules de PANI décorant les surfaces des fibres (Figure 2d). Les spectres FTIR confirment la présence de PANI : de nouvelles bandes à 3250 cm⁻¹ (étirement N-H) et 1514 cm⁻¹ (C=C aromatique) apparaissent dans le composite, absentes dans le TPU pur (Figure 3).

Extensibilité et sensibilité

Le capteur PANI/TPU présente une excellente élasticité, tolérant des déformations jusqu'à 165 % tout en maintenant des caractéristiques I-V linéaires (Figure 4a). Le courant diminue progressivement avec l'augmentation de la déformation, indiquant une résistance ajustable adaptée à la détection de contrainte (Figure 4b). Les essais mécaniques montrent que la courbe contrainte-déformation du composite comprend une région élastique (0–19 %), un plateau plastique (19–140 %) et une rupture ultime à ~165 % (Figure 5). La résistance à la traction monte à 1,93 MPa par rapport au TPU seul, bien que la déformation à la rupture diminue légèrement en raison de la nature fragile du PANI.

Le facteur de jauge (GF) est calculé comme GF = (ΔR/R₀)/ε. Le composite montre un GF de 6,73 dans le régime élastique (0–120 %) et 49,51 dans le régime plastique (120–150 %), indiquant une haute sensibilité, surtout comparé aux capteurs PANI/PVDF (GF ≈ 1) [21] et supérieur à de nombreux capteurs polymériques, bien que inférieur aux films de silicium ultraminces ou PEDOT:PSS/PVA.

Les tests de stabilité sous déformation constante de 30,7 % démontrent une récupération quasi-parfaite du courant dans le temps, confirmant une excellente répétabilité. Les tests d'endurance sur 1000 cycles montrent un changement négligeable des caractéristiques I-V, attestant de la durabilité.

Flexibilité et stabilité thermique

Lorsqu'elle est pliée sur des substrats avec courbure de 0 à 0,4 mm⁻¹, la réponse I-V varie minimalement (Figure 7a), prouvant l'adéquation pour applications non planes. Le cyclage thermique de 240 K à 360 K résulte en seulement des changements de résistance modestes (2,97 kΩ à 1,60 kΩ), indiquant une performance robuste sur les gammes ambiantes typiques (Figure 8).

Détection de mouvement des doigts

La haute sensibilité du capteur permet la détection de flexion et relâchement des doigts. Dans un test de 2000 cycles, le courant pique fortement lors de la flexion et revient à la ligne de base au relâchement (Figure 9a). Un circuit LED simple démontre un retour visuel en temps réel : la LED maintient sa luminosité sous flexion légère et s'assombrit avec l'augmentation de la contrainte de traction, offrant un affichage simple de l'état de contrainte (Figure 10).

Conclusions

Nous avons démontré une voie de fabrication facile et peu coûteuse pour un composite nanofibreux TPU-PANI hautement extensible et électriquement conducteur. Le capteur de contrainte résultant détecte fiablement des déformations jusqu'à 165 % avec une réponse rapide et répétable, maintient la conductivité sur une large fenêtre de température, et peut être intégré dans des systèmes électroniques portables ou flexibles. Sa légèreté, faible coût et performance robuste en font une plateforme attractive pour la biosensorie portable de prochaine génération et les circuits flexibles.

Abréviations

Eau DI

Eau déionisée

PANI

Polyaniline

TPU

Polyuréthane thermoplastique