階層多孔質ポリアニリン/ポリウレタンスポンジ複合体の迅速作製とフレキシブル圧力・ガスセンサーへの応用

概要

市販ポリウレタンスポンジ上にインシチュ重合で多階層多孔質ポリアニリン（PANI）複合体を作製する低コスト手法を報告。スポンジ足場が巨大相互接続表面提供しPANIナノ枝成長促進、フレキシブル高比表面積複合体形成。圧電抵抗圧力センサーとして組立てると迅速応答、優れた回復性、低圧力域（0-8 kPa）で感度8.0 kPa⁻¹、高圧力域（8 kPa以上）で54.5 kPa⁻¹の圧力感度示す。さらに同複合体はNH₃ガスセンサーとして機能し、印加圧力変化で内部細孔密度調整可能なため感度チューニング可能。本研究は多機能センサーへの簡便低コスト製造法とシンプル信号取得を実証。

背景

圧力、歪み、ガス、温度、変位等フレキシブルセンサーは次世代ウェアラブル・フォルダブルデバイスに不可欠。しかし製造は高価多段階プロセス必要。三次元（3D）スポンジ、特にポリウレタン系は弾性、高比表面積、低密度、安価製造で魅力的代替。導電性フィラー複合で圧力センサー、スーパーキャパシタ、油吸着材応用。導電性ポリマー、特にポリアニリン（PANI）は固有電気伝導性、機械的堅牢性、大表面積でセンサー有利。PANIはドーピング或いはインシチュ重合合成可能、後者がよりスケーラブル効果的。

圧電抵抗圧力センサーは機械変形を抵抗変化変換、シンプル設計低コストで評価。センシング原理は導電ネットワーク内接触経路変調。ガスセンシングではPANI伝導度がアルカリ性ガス（NH₃等）と相互作用でプロトン化/ドーピング変化、キャリア数減少・抵抗増大で変調。

本研究ではインシチュ重合でポリウレタンスポンジ上に多孔質PANIネットワーク成長、高性能圧力センサーと調整感度NH₃ガスセンサー双方機能複合体作製。

方法

材料

過硫酸アンモニウム（APS、Mw=228.20 g mol⁻¹）、5-スルホサリチル酸（SSA、Mw=254.22 g mol⁻¹）、アニリン（Mw=93.13 g mol⁻¹）をSinopharm Chemical Reagent Co.（上海）から調達。市販ポリウレタンスポンジ（Domaxe、中国）を足場使用。

PANI/スポンジ複合体調製

重合混合液：2.5422 g SSAと1.8626 gアニリンを50 ml脱イオン水溶解、磁気攪拌20分。スポンジ浸漬、4.5640 g APSを50 ml脱イオン水溶解し緩慢添加し均一混合。2℃で24時間反応。脱イオン水洗浄で残留モノマー・酸化剤除去、室温48時間乾燥。得られたPANI/スポンジ複合体は黄色から深緑色変化、PANI負荷量~35 wt%（重量差で算出）。

センサー組立て

2×2×2 cm³ PANI/スポンジ複合体を2枚銅電極（銅板）でサンドイッチ。銅線ハンダ付けしKeithley 6487高抵抗計接続し電気測定。

キャラクタリゼーション

走査型電子顕微鏡（SEM、JEOL JSM-7500F）とラマン分光（Renishaw inVia Plus、532 nmレーザー）で形態・構造観察。電気特性Keithley 6487システム測定。

結果と考察

形態・構造特性

SEM像で未処理スポンジは平滑相互接続多孔フレームワーク、PANIコートスポンジはナノ枝密に覆われた粗面。ナノ構造PANIコーティングが複合体比表面積増大と電気伝導性向上。複合体はスポンジマイクロポアとPANI枝ナノポロシティからなる多階層ポア構造保有。

ラマン分光

複合体ラマンスペクトルにPANI特徴ピーク：1486、1407、1216、1163 cm⁻¹（C=C/C=N伸縮、C-N伸縮、C-N曲げ）、1588 cm⁻¹（C-C伸縮）確認。スポンジ足場上PANI重合成功示す。

圧力感度試験

繰り返し圧力負荷で複合体抵抗急減、解除即時回復。相対抵抗変化（ΔR/R₀）0-13 kPa増加、感度0-8 kPaで8.0 kPa⁻¹、8-13 kPaで54.5 kPa⁻¹。センシング機構は圧縮誘起多孔ネットワーク内接触抵抗低減帰属。

安定性と回復性

12 mm圧縮連続負荷-解除サイクルで電流-圧力線形応答、35秒以内迅速回復、ヒステリシス殆どなし、ウェアラブル用途適した優れた耐久性実証。

指曲げ検出

2×1×0.5 cm³センサーをゴム手袋装着、指屈伸正確追跡、明確再現性電流スパイクが曲げイベント相関、ソフトロボティクス・人体動作モニタリング適性示唆。

調整感度ガスセンサー

密閉チャンバー内複合体プリコンプレッション変化でNH₃検出感度調整可能。高圧縮で細孔体積減・拡散速度低下、応答時間延長・定常電流低下。調整可能内部接触密度由来、ガスセンサー性能調整シンプル手段提供。

結論

階層的PANI/PUスポンジ複合体を高感度低コスト圧力センサーと調整可能NH₃ガスセンサーとして機能させる容易スケーラブル手法実証。フレキシブル多孔アーキテクチャが迅速応答、優秀回復性、調整可能ガスセンシング性能提供、次世代ウェアラブル・ポータブルセンシングデバイス有力候補。