Multifunctional graphene based thermoplastic polyurethane elastomer nanocomposites for improved dielectric and electrical properties

Abstract: In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von weichen elektronischen Systemen erzielt. Unter einer Vielzahl fortschrittlicher Materialien ist das Nanokomposit aus thermoplastischem Polyurethan-Elastomer (TPU) ein vielversprechender Kandidat aufgrund seiner hohen Dehnbarkeit, Biokompatibilität, einfachen Verarbeitung und geringen Kosten. In Kombination mit hochleitfähigen Graphenpartikeln weist TPU-Komposite hervorragende mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Im ersten Teil dieser Arbeit stamd die Entwicklung neuer elektrisch leitfähiger Elastomere für flexible und dehnbare Sensoren im Vordergrund. Hier wurde ein dehnbarer Dehnungssensor vom elektrischen resistive-Typ durch Sprühbeschichtung von thermisch reduziertem Graphitoxid (TRGO) auf ein vorgespanntes TPU-Substrat hergestellt. Der Vordehnungsprozess wurde angepasst, indem das TPU-Substrat vor der Sprühbeschichtung gedehnt und anschließend relaxiert wurde. Die SEM-Bilder zeigten, dass TRGO-Partikel gleichmäßig auf den Oberflächen der TPU-Filme lokalisiert waren und ein ausgezeichnetes leitfähiges Netzwerk aufbauten. Bei einer Vordehnung von 20 % konnte die höchste elektrische Leitfähigkeit des TPU/TRGO-Verbundwerkstoffs bis zu 7,2 × 10-2 S/cm erreicht werden. Darüber hinaus konnte dieser zusätzliche Schritt der „Vordehnung“ die Haltbarkeit und Stabilität der leitfähigen TRGO-Beschichtung auf der TPU-Gummiplatte bei starker mechanischer Dehnung verbessern. Im Vergleich zum TPU/TRGO-Komposit ohne Vordehnung war die leitfähige Schicht insbesondere bei größeren Dehnungen nicht in der Lage, mechanischen Belastungen in akzeptablem Maße standzuhalten. Außerdem zeigte der Dünnfilm TPU/TRGO + prestrain 20% ein stabiles Erfassungsmuster über zehn Zyklen des Zug- und Ablösetests. Des Weiteren verleiht das aufgebaute leitfähige Netzwerk durch eine einfache Vordehnung unseren TPU/TRGO-Dehnungssensoren eine wünschenswerte Integration von guter Dehnbarkeit und hoher Empfindlichkeit (GF von 109.2) mit einem linearen Verhalten in einem Dehnungsbereich zwischen 0% und 50 %. Im zweiten Teil dieser Arbeit ging es vor allem darum, neue dielektrische Elastomere (DE) mit guten dielektrischen Eigenschaften für die potentielle Aktuatoren zu entwickeln. Hier wurde ein dielektrisches Elastomer-Komposit hergestellt, indem einfach TRGO Nanopartikel in die TPU-Matrix eingebracht wurden. Die elektrische Leitfähigkeit von TPU/TRGO_1 mit nur 1 Gew.-% Füllstoff blieb ein eher niedriger Wert, der für DEA-Materialien extrem essentiell ist. In Bezug auf den Füllstoff leitfähiger Ruß sowie die reine TPU-Film konnten gut dispergierte TRGO-Füllstoffe mit nur 1 Gew.-% in der TPU-Matrix die Dielektrizitätskonstante erheblich von 35,7 auf 1405,3 bei 0,1 Hz erhöhen, bevor sie perkolative leitende Netzwerke aufbauten. Außerdem wurden die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der resultierenden TPU/TRGO Komposite durch Variation der TRGO-Gewichtsanteile optimiert. Eine 39-fache Erhöhung der Dielektrizitätskonstante und eine leichte Erhöhung des Young-Moduls wurden gleichzeitig durch Mischen mit 1 Gew.-% TRGO erreicht, während die dielektrische Durchschlagsfestigkeit, der dielektrische Verlust und die maximale Dehnung während des dielektrischen Tests auf relativ guten Niveaus gehalten wurden. Darüber hinaus wies der TPU/TRGO-Aktor aufgrund der deutlich erhöhten elektromechanischen Empfindlichkeit die höchste elektromechanische Dehnung von bis zu 6,3 % bei einer reduzierten Durchschlagsfestigkeit von 28,8 V/µm auf. Nach unserem besten Wissen ist dies die höchste bisher berichtete Aktuation für polyurethanbasierte Materialien
Abstract: There has been considerable progress in developing soft electronic devices and systems over the past decades. Thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) nanocomposites represent promising candidates because of high stretchability, biocompatibility, easy processing, and low cost. In combination with highly electrical conductive graphene nanoparticles, TPU composite exhibits superb mechanical and electrical properties. In the first part of this work, the primary goal was the development of new electrically conductive elastomers for flexible and stretchable strain sensors. Herein, an electrically resistive-type stretchable strain sensor was fabricated by spray-coating of a dispersion of thermally reduced graphite oxide (TRGO) on a prestrained TPU substrate. The prestrain process was adapted by stretching the TPU substrate before spraying, after which it was released. The SEM images indicated that TRGO particles were uniformly distributed on surfaces of the TPU films uniformly and constructed an excellent conductive network. With a prestrain of 20%, the highest electrical conductivity of the TPU/TRGO composite can achieve up to 7.2 × 10-2 S/cm. Moreover, this additional step of “prestrain” can improve the durability and stability of the conductive TRGO coating on the TPU rubber sheet upon large mechanical stretching. In comparison to the TPU/TRGO composite without a prestrain, the conductive layer is not capable to resist mechanical strain at an acceptable level, particularly at larger strains. Additionally, the composite thin film TPU/TRGO + prestrain 20% displayed a stable sensing pattern over ten cycles of tensile and release test. Moreover, the assembled conductive network through a simple prestrain endowed our TPU/TRGO strain sensors with a desirable integration of good stretchability and high sensitivity (GF of 109.2) with a linear response in a strain range between 0% and 50%. In the second part of this work, it was mainly orientated to develop new dielectric elastomers (DE) with good dielectric properties for potential actuator technology. Here a dielectric elastomer composite was fabricated by simply blending functionalized graphene TRGO nanosheets into the TPU matrix. The electrical conductivity of TPU/TRGO_1 with only 1 wt% filler remained a rather low value, which was essential for DEA materials. With respect to the filler carbon black, as well as the neat TPU film, well-dispersed TRGO fillers at 1wt% substantially increased the dielectric permittivity of the TPU matrix significantly from 35.7 to 1405.3 at 0.1Hz before constructing percolative conducting networks. Besides, the mechanical and dielectric properties of the resultant composite films were optimized by varying the TRGO weight fractions. An increase of 39 folds in dielectric constant and a slight increase of Young’s modulus were simultaneously achieved by blending with 1wt% of TRGO, while its dielectric breakdown strength, dielectric loss and maximal strain were retained at relatively good levels during the dielectric test. Moreover, the dielectric constant of the TPU/TRGO composite exhibits a higher value over the entire frequency range. In addition, due to the evident large increase in electromechanical sensitivity, the TPU/TRGO actuator demonstrates the highest electromechanical strain up to 6.3% with a reduced dielectric breakdown strength of 28.8 V/µm. To the best of our knowledge, it is the highest actuation strain reported to date for polyurethane based materials

Angaben zum Objekt

• Sprache: Englisch
• Umfang: Online-Ressource
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2021
• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Polymers ; Polyurethane ; Graphen ; Nanokomposit ; Dielektrikum ; Leitfähige Polymere

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Urheber: Yang, Yuan
• Beteiligte Personen und Organisationen: Mülhaupt, Rolf ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie
• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2021

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/222062
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2220622
• Rechteinformation: Kein Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:49 MEZ