Fabricação Rápida de Compósitos Esponja de Polianilina/Poliuretano com Porosidade Hierárquica para Sensores de Pressão Flexíveis e Gás Ajustáveis

Resumo

Apresentamos uma rota de polimerização in situ custo-efetiva para produzir um compósito de polianilina (PANI) multi-hierarquicamente poroso sobre esponja comercial de poliuretano. O andaime da esponja oferece vasta superfície interconectada que facilita o crescimento de nanoramos de PANI, resultando em um compósito flexível de alta área superficial. Quando montado como sensor piezoresistivo de pressão, o material exibe resposta rápida, excelente recuperabilidade e sensibilidade à pressão que aumenta de 8,0 kPa⁻¹ em baixas pressões para 54,5 kPa⁻¹ acima de 8 kPa. Além disso, o mesmo compósito serve como sensor de gás cuja sensibilidade a NH₃ pode ser ajustada variando a pressão aplicada, graças à densidade de poros interna ajustável. Este trabalho demonstra um método fácil e de baixo custo para fabricar sensores multifuncionais com coleta de sinal direta.

Introdução

Sensores flexíveis — abrangendo pressão, deformação, gás, temperatura e deslocamento — são fundamentais para a próxima geração de dispositivos vestíveis e dobráveis. No entanto, sua fabricação frequentemente requer processos caros e multi-etapas. Esponjas tridimensionais (3D), especialmente variantes de poliuretano, são alternativas atrativas devido à sua elasticidade, alta área superficial específica, baixa densidade e produção barata. Quando combinadas com cargas condutivas, esponjas têm sido empregadas em sensores de pressão, supercapacitores e absorventes de óleo. Polímeros condutivos, particularmente polianilina (PANI), são vantajosos para sensores devido à sua condutividade elétrica intrínseca, robustez mecânica e grande área superficial. PANI pode ser sintetizado via dopagem ou polimerização in situ, esta última oferecendo rota mais escalável e eficaz.

Sensores de pressão piezoresistivos convertem deformação mecânica em mudanças de resistência e são valorizados por seu design simples e baixo custo. O princípio de sensoriamento baseia-se na modulação de vias de contato dentro da rede condutiva. Para sensoriamento de gás, a condutividade do PANI é modulada por mudanças de protonação/dopagem na interação com gases alcalinos como NH₃, que reduzem o número de portadores de carga e aumentam a resistência.

Neste estudo, aproveitamos a polimerização in situ para crescer uma rede porosa de PANI sobre esponja de poliuretano, produzindo um compósito que funciona simultaneamente como sensor de pressão de alto desempenho e sensor de gás NH₃ com sensibilidade ajustável.

Métodos

Materiais

Persulfato de amônio (APS, M_w = 228,20 g mol⁻¹), ácido 5-sulfossalicílico (SSA, M_w = 254,22 g mol⁻¹) e anilina (M_w = 93,13 g mol⁻¹) foram adquiridos da Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Xangai, China). Esponja comercial de poliuretano (Domaxe, China) foi usada como andaime.

Preparação do Compósito PANI/Esponja

A mistura de polimerização foi preparada dissolvendo 2,5422 g SSA e 1,8626 g anilina em 50 mL água deionizada, seguida de agitação magnética por 20 min. A esponja foi então submersa, e 4,5640 g APS dissolvidos em 50 mL água deionizada foram adicionados lentamente para garantir mistura homogênea. A reação foi realizada a 2 °C por 24 h. Após lavagem com água deionizada para remover monômeros e oxidante residuais, a amostra foi seca à temperatura ambiente por 48 h. O compósito PANI/esponja resultante exibiu mudança de cor de amarelo para verde escuro, e a carga de PANI foi ~35% em peso (determinada por diferença de peso).

Montagem do Sensor

Um compósito PANI/esponja de 2 × 2 × 2 cm³ foi inserido entre dois eletrodos de cobre (chapa de cobre). Fios de cobre foram soldados nos eletrodos e conectados a um medidor de alta resistência Keithley 6487 para medições elétricas.

Caracterização

Microscopia eletrônica de varredura (MEV, JEOL JSM‑7500F) e espectroscopia Raman (Renishaw inVia Plus, laser 532 nm) foram empregadas para examinar morfologia e estrutura. Propriedades elétricas foram medidas com sistema Keithley 6487.

Resultados e Discussão

Propriedades Morfológicas e Estruturais

Imagens de MEV revelam que a esponja pura exibe estrutura porosa interconectada lisa, enquanto a esponja revestida com PANI mostra superfície rugosa densamente coberta com nanoramos. O revestimento nanoestruturado de PANI aumenta a área superficial específica do compósito e melhora a condutividade elétrica. O compósito possui arquitetura de poros multi-hierárquica compreendendo microporos da esponja e nanoporosidade introduzida pelos ramos de PANI.

Espectroscopia Raman

O espectro Raman do compósito exibe picos característicos de PANI a 1486, 1407, 1216 e 1163 cm⁻¹, correspondentes a estiramento C=C/C=N, estiramento C–N e flexão C–N, respectivamente. Uma banda a 1588 cm⁻¹ confirma estiramento C–C. Essas características confirmam a polimerização bem-sucedida de PANI no andaime da esponja.

Teste de Sensibilidade à Pressão

Quando submetido a pressão cíclica, a resistência do compósito diminui abruptamente com a carga aplicada e recupera imediatamente após a liberação. A mudança relativa de resistência (ΔR/R₀) aumenta de 0 a 13 kPa, com sensibilidade de 8,0 kPa⁻¹ na faixa 0–8 kPa e 54,5 kPa⁻¹ na faixa 8–13 kPa. O mecanismo de sensoriamento é atribuído à redução induzida por compressão da resistência de contato dentro da rede porosa.

Estabilidade e Recuperabilidade

Sob ciclos contínuos de carga-descarregamento até 12 mm de compressão, o sensor exibe resposta linear corrente-pressão, recuperação rápida dentro de 35 s, e histerese insignificante, demonstrando excelente durabilidade adequada para aplicações vestíveis.

Detecção de Flexão de Dedo

Montando um sensor de 2 × 1 × 0,5 cm³ em luva de borracha, o dispositivo rastreia com precisão flexão e liberação do dedo, com picos de corrente claros e repetíveis correlacionados a eventos de flexão, ressaltando sua adequação para robótica suave e monitoramento de movimento humano.

Sensor de Gás com Sensibilidade Ajustável

Variando a pré-compressão do compósito dentro de câmara selada, a sensibilidade de detecção de NH₃ pode ser ajustada. Compressão maior reduz volume de poros e taxa de difusão, levando a tempos de resposta mais longos e correntes de estado estacionário menores. Este comportamento controlável surge da densidade de contato interna ajustável, oferecendo meio direto para adaptar desempenho de sensor de gás.

Conclusões

Demonstramos um método fácil e escalável para fabricar compósito hierárquico PANI/PU esponja que funciona como sensor de pressão de alta sensibilidade e baixo custo e sensor de gás NH₃ ajustável. A arquitetura porosa flexível proporciona resposta rápida, excelente recuperabilidade e desempenho de sensoriamento de gás ajustável, tornando-o candidato promissor para dispositivos de sensoriamento vestíveis e portáteis de próxima geração.