Electromechanical sensing properties of flexible electronics from functional polymer nanocomposites

Hafif, kolay işlenebilen, farklı morfolojik, termal, mekanik ve elektriksel özelliklere sahip olan polimerler, ayarlanabilir özellikleri sayesinde genellikle elektronik, otomotiv iç mekanları, dış mekan ürünleri, biyomedikal vb. gibi çeşitli uygulamalarda tercih edilmektedir. Dolgu/katkı malzemelerinin eklenmesi ile polimer matrisin bazı özellikleri değiştirilebilmektedir. Örneğin, elektriksel iletkenlik gerektiren uygulamalar için yalıtkan polimer matrise iletken dolgu malzemesi eklenmesi ile elektriksel olarak iletken polimer kompozitler üretilmektedir. Bu durumda iletken kompozitlerin son özellikleri açısından sadece dolgu özellikleri değil aynı zamanda matris özellikleri de önemlidir. Bu çalışmada, dolgu ve matris türünün piezorezistif algılama performansı üzerindeki etkisinin gözlemlenmesi için farklı nanokompozitler hazırlanmıştır. Literatürde ilk kez, farklı blok oranlarına sahip iki farklı poli[stiren-b-(etilen-ko-bütilen)-b-stiren] (SEBS) (stirenin etilen-bütilene oranı (S/EB): 13/87 ve 19/81) ve karbon siyahı (KS), buhar biriktirme yöntemi ile üretilmiş karbon nanofiberler (KNF) ve KS ve KNF karışımı (KNF:KS = 1) olmak üzere üç farklı dolgu ağırlıkça %0.5-6.5 konsantrasyonlarında kullanılmıştır. Bu çalışmanın ilk aşamasında, esnek iletken polimer kompozitler üretilmiş ve dolgu türüne, dolgu konsantrasyonuna ve matris türüne bağlı olarak kompozitlerin, morfolojik, elektriksel, mekanik özellikleri ve piezorezistif algılama performansları incelenmiştir. Perkolasyon davranışı göz önünde bulundurularak kompozitlerin uzama sensörleri olarak kullanılabildiği tespit edilmiş olsa da hibrit dolgu içeren nanokompozitlerin hassasiyetinin daha yüksek olması çalışmanın özgülüğü olarak verilebilir. Ağırlıkça %3.5 KS-KNF hibrit dolgulu nanokompozit, SEBS içeren hibrit nanokompozitler için elde edilen hassasiyet değeri (GF) yaklaşık olarak 333 civarındadır ve bu değer literatürdeki hibrit dolgulu SEBS piezorezistif sensörlerde elde edilen yüksek değerlerdendir. Bunun nedeni, KNF'nin KS'ye eklenmesiyle oluşan benzersiz iletken ağ oluşumudur. KS dolgulu nanokompozitlere kıyaslandığında sadece perkolasyon konsantrasyonunda azalma gözlemlenmemiş, aynı zamanda düşük ve yüksek aspek oranlı dolgu maddeleri arasındaki ek bağlantılardan dolayı uzamaya karşı oldukça hassas olan yeni, benzersiz iletken ağ morfolojisinin oluşumu sağlanmıştır. Çalışmanın son aşamasında, hibrit nanokompozitler kumaş yüzeyine kaplanarak tekstil içeren sensör üretilmiş ve morfolojik ve elektromekanik özellikleri incelenmiştir. Tekstil esaslı piezorezistif uzama sensörünün gage faktörü yaklaşık 108 bulunmuş ve bu da literatürde ilk kez rapor edilmiştir.