Membrana Nanofibrosa TPU-PANI Altamente Elástica e Condutiva para Sensores de Deformação Flexíveis Avançados

Resumo

Projetamos um compósito nanofibroso de poliuretano termoplástico (TPU), funcionalizado in situ com polianilina (PANI) via eletrofiação, para criar um sensor de deformação flexível que suporta deformações até 165% com resposta rápida e estabilidade a longo prazo. O compósito mantém condutividade consistente em ampla faixa de temperatura e conforma-se a superfícies não planas, oferecendo rota de baixo custo e escalável para sensoriamento vestível de alto desempenho e substratos condutivos.

Introdução

Membranas nanofibrosas são valorizadas por sua grande área superficial específica, alta porosidade, elasticidade e propriedades mecânicas superiores, tornando-as atraentes para andaimes de tecido, vestuário protetor, sistemas de liberação de fármacos e dispositivos eletrônicos [1–10]. Entre técnicas de fabricação, eletrofiação destaca-se por sua simplicidade, acessibilidade e versatilidade na produção de esteiras não tecidas [11–15]. No entanto, alcançar condutividade elétrica em tais membranas tipicamente requer incorporação de polímeros condutivos ou semicondutores baseados em carbono. Polianilina (PANI) oferece alta condutividade mas sofre de elasticidade limitada devido ao seu esqueleto polar [16]. Poliuretano termoplástico (TPU) fornece excelente elasticidade e resistência à abrasão [17]. Combinando TPU com PANI através de polimerização in situ, visamos superar a fragilidade do PANI enquanto preservamos a alta elasticidade do TPU, criando assim um compósito adequado para sensores de deformação vestíveis e condutores elásticos.

Experimental

Preparação de Membrana Nanofibrosa PANI/TPU

A fabricação procede em três etapas. Primeiro, uma solução de TPU é preparada dissolvendo 2,4 g TPU em 8,8 g N,N-dimetilformamida (DMF) e 8,8 g tetrahidrofurano (THF), então agitada por 5 h até homogeneidade. Eletrofiação é realizada a distância agulha-coletor de 10-12 cm, 12 kV, e taxa de alimentação de 15 µL min⁻¹, com coletor de rolo para alcançar espessura uniforme. A esteira de TPU resultante é então submetida a polimerização de PANI: 4,6 g persulfato de amônio (APS) é dissolvido em 50 mL água desionizada (solução A); 1,875 g anilina e 2,54 g ácido sulfossalicílico (SSA) são dissolvidos em 50 mL água DI (solução B). A membrana de TPU (10 cm × 10 cm) é imersa na solução B, seguida por adição lenta da solução A enquanto agita à temperatura ambiente por 30 min. Após 12 h a 275 K, a membrana é lavada, seca por 48 h à temperatura ambiente, e torna-se o compósito verde PANI/TPU.

Montagem do Sensor

O sensor é fabricado sanduichando uma membrana compósito de 1 cm × 2 cm × 0,05 cm entre dois filmes de PDMS (1,5 cm × 3 cm × 0,05 cm) para proteger as fibras. Condutores de cobre são ligados com pasta de prata, e a largura ativa é 15 mm com espaçamento de eletrodo de 1,5 mm. Veja o esquema abaixo.

Figura 1. Esquema do processo de montagem do sensor.

Caracterização é realizada usando microscopia óptica (Olympus BX51), SEM (FEI DB235), FTIR (Thermo Nicolet iN10), analisador mecânico dinâmico (TA Q-800), medidor de alta resistência Keithley 6485, e PPMS (Quantum Design) para estudos dependentes de temperatura.

Resultados e Discussão

Morfologia e Composição

A esteira de TPU pura exibe rede fibrosa uniforme e altamente elástica. Pós-polimerização, a membrana torna-se verde escuro (Figura 2a,b) e SEM revela partículas de PANI decorando superfícies das fibras (Figura 2d). Espectros FTIR confirmam presença de PANI: novas bandas a 3250 cm⁻¹ (estiramento N-H) e 1514 cm⁻¹ (C=C aromático) aparecem no compósito, ausentes no TPU puro (Figura 3).

Figura 2. (a) Imagem óptica de membrana TPU. (b) Imagem óptica de membrana PANI/TPU. (c) SEM de TPU. (d) SEM de PANI/TPU.

Figura 3. Espectros FTIR de membranas TPU e PANI/TPU.

Elasticidade e Sensibilidade

O sensor PANI/TPU exibe excelente elasticidade, tolerando deformações até 165% mantendo características I-V lineares (Figura 4a). Corrente diminui gradualmente com aumento da deformação, indicando resistência ajustável adequada para sensoriamento de deformação (Figura 4b). Testes mecânicos mostram que a curva tensão-deformação do compósito compreende região elástica (0-19%), platô plástico (19-140%) e ruptura final a ~165% (Figura 5). A resistência à tração sobe para 1,93 MPa relativo ao TPU sozinho, embora deformação na ruptura diminua ligeiramente devido à natureza frágil do PANI.

Figura 4. (a) Curvas I-V em várias deformações. (b) Resposta de corrente vs. deformação (bias 5 V). (c-d) Imagens SEM de fibras não deformadas e deformadas.

Figura 5. Curvas tensão-deformação de membranas TPU e PANI/TPU.

O fator de gauge (GF) é calculado como GF = (ΔR/R₀)/ε. O compósito mostra GF de 6,73 no regime elástico (0-120%) e 49,51 no regime plástico (120-150%), indicando alta sensibilidade, especialmente comparado a sensores PANI/PVDF (GF ≈ 1) [21] e superior a muitos sensores poliméricos, embora menor que filmes de silício ultrafino ou PEDOT:PSS/PVA.

Figura 6. (a) Mudança de resistência relativa vs. deformação. (b) Teste de estabilidade a 30,7% deformação. (c) I-V antes e depois de 100 ciclos. (d) I-V depois de 1000 ciclos.

Testes de estabilidade sob deformação constante de 30,7% demonstram recuperação quase perfeita de corrente ao longo do tempo, confirmando excelente repetibilidade. Testes de endurance por 1000 ciclos mostram mudança negligenciável nas características I-V, atestando durabilidade.

Flexibilidade e Estabilidade Térmica

Quando dobrado em substratos com curvatura de 0 a 0,4 mm⁻¹, a resposta I-V varia minimamente (Figura 7a), evidenciando adequação para aplicações não planares. Ciclagem de temperatura de 240 K a 360 K resulta em apenas mudanças modestas de resistência (2,97 kΩ a 1,60 kΩ), indicando desempenho robusto em faixas ambientes típicas (Figura 8).

Figura 7. (a) Curvas I-V sob diferentes curvaturas. (b) Imagens ópticas durante teste de curvatura.

Figura 8. Curvas I-V em várias temperaturas.

Detecção de Movimento dos Dedos

A alta sensibilidade do sensor permite detecção de flexão e liberação dos dedos. Em teste de 2000 ciclos, a corrente pica agudamente ao dobrar e retorna à linha de base ao liberar (Figura 9a). Um circuito LED simples demonstra feedback visual em tempo real: o LED mantém brilho sob flexão leve e escurece com aumento de deformação de tração, oferecendo exibição de baixa complexidade do estado de deformação (Figura 10).

Figura 9. (a) Corrente vs. tempo durante flexão do dedo. (b) Fotografia do sensor vestível.

Figura 10. (a) Brilho do LED sob várias curvaturas. (b) Brilho do LED sob 0-60% deformação de tração.

Conclusões

Demonstramos uma rota de fabricação fácil e de baixo custo para um compósito nanofibroso TPU-PANI altamente elástico e condutivo. O sensor de deformação resultante detecta confiavelmente deformações até 165% com resposta rápida e repetível, mantém condutividade em ampla janela de temperatura, e pode ser integrado em sistemas vestíveis ou eletrônicos flexíveis. Seu peso leve, baixo custo e desempenho robusto o tornam plataforma atraente para biossensoriamento vestível de próxima geração e circuitos flexíveis.

Abreviações

DI water: Água desionizada
PANI: Polianilina
TPU: Poliuretano termoplástico

Otimizando Sensores FET de Nanofios de Si: Fotocondutividade, Sensibilidade a pH, Ruído e Efeitos do Comprimento do Canal Aprimorando Segurança do CL-20: Reduzindo Sensibilidade a Impacto via Condutividade Térmica Assistida por Nanomateriais de Carbono

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