高伸縮性・導電性TPU-PANIナノファイバー膜による先進フレキシブルひずみセンサ

概要

熱可塑性ポリウレタン（TPU）ナノファイバー複合材料を、電気紡糸時にアニリン（PANI）でインシチュ機能化し、165%までのひずみに耐え、高速応答と長期安定性を備えたフレキシブルひずみセンサを作製した。複合材料は広い温度範囲で安定した伝導性を維持し、非平面表面に適合し、ウェアラブルセンシングと導電性基板への低コスト・スケーラブルな道を提供する。

背景

ナノファイバー膜は、大きな比表面積、高い多孔性、弾力性、優れた機械的特性により、組織足場、防護衣、薬物送達システム、電子デバイスに魅力的[1-10]。製造技術中、電気紡糸はシンプルさ、安価さ、非織布マット作製の汎用性で際立つ[11-15]。しかし、このような膜に電気伝導性を付与するには通常、導電性高分子や炭素系半導体の組み込みが必要。ポリアニリン（PANI）は高伝導性だが、極性骨格により弾力性が限られる[16]。熱可塑性ポリウレタン（TPU）は優れた伸縮性と耐摩耗性を提供[17]。インシチュ重合でTPUとPANIを複合化し、PANIの脆さを克服しつつTPUの高弾力性を維持し、ウェアラブルひずみセンサと伸縮性導体に適した複合材料を作製することを目的とした。

実験

PANI/TPUナノファイバー膜の調製

製造は3段階で進行。第一に、TPU 2.4 gをN,N-ジメチルホルムアミド（DMF）8.8 gとテトラヒドロフラン（THF）8.8 gに溶解、5時間攪拌し均質化。電気紡糸を針-コレクタ距離10-12 cm、12 kV、15 µL min⁻¹供給速度、ローラーコレクタで均一厚さ実現で実施。得られたTPUマットをPANI重合にかける：過硫酸アンモニウム（APS）4.6 gを50 mL脱イオン水に溶解（溶液A）；アニリン1.875 gとスルホサリチル酸（SSA）2.54 gを50 mL DI水に溶解（溶液B）。TPU膜（10 cm×10 cm）を溶液Bに浸漬、攪拌しながら室温で30分かけて溶液Aを徐々に添加。275 Kで12時間放置後、洗浄、室温で48時間乾燥し、緑色のPANI/TPU複合体を得た。

センサ組み立て

センサは、1 cm×2 cm×0.05 cm複合膜を2枚のPDMSフィルム（1.5 cm×3 cm×0.05 cm）でサンドイッチし繊維を保護。銅リードを銀ペーストで接合、有効幅15 mm、電極間隔1.5 mm。下記概略図参照。

キャラクタリゼーションに光学顕微鏡（Olympus BX51）、SEM（FEI DB235）、FTIR（Thermo Nicolet iN10）、動的機械分析装置（TA Q-800）、Keithley 6485高抵抗計、PPMS（Quantum Design）で温度依存性研究を実施。

結果と考察

形態と組成

プリステインTPUマットは均一で高弾力な繊維ネットワークを表示。重合後、膜は深緑色に変化（図2a,b）し、SEMで繊維表面をPANI粒子が装飾していることが判明（図2d）。FTIRスペクトルでPANI存在を確認：3250 cm⁻¹（N-H伸縮）と1514 cm⁻¹（C=C芳香族）の新規バンドが複合体に出現、純TPUにはない（図3）。

伸縮性と感度

PANI/TPUセンサは優れた弾力性を示し、線形I-V特性を維持しながら165%までのひずみに耐える（図4a）。電流はひずみ増加とともに徐々に減少し、ひずみセンシングに適した調整可能な抵抗変化を示す（図4b）。機械試験で複合材料の応力-ひずみ曲線は弾性領域（0-19%）、塑性プラトー（19-140%）、約165%で究極破断の3領域から構成（図5）。引張強度はTPU単独比で1.93 MPaに上昇、PANIの脆性により破断ひずみはわずかに低下。

ゲージファクター（GF）はGF = (ΔR/R₀)/εで計算。複合材料は弾性領域（0-120%）でGF 6.73、塑性領域（120-150%）でGF 49.51を示し、PANI/PVDFセンサ（GF≈1）[21]比で高感度、多くの高分子センサを上回るが、超薄膜シリコンやPEDOT:PSS/PVAフィルムよりは低い。

一定30.7%ひずみ下での安定性試験で電流が時間経過とともにほぼ完全回復、優れた再現性確認。1000サイクル耐久試験でI-V特性に無視できる変化、耐久性実証。

曲げ特性と温度安定性

曲率0-0.4 mm⁻¹基板上で曲げたとき、I-V応答は最小限に変化（図7a）、非平面応用適合性を証明。240 Kから360 Kの温度サイクルで抵抗変化は控えめ（2.97 kΩから1.60 kΩ）、典型的周囲温度範囲で堅牢な性能（図8）。

指動作検出

センサの高感度で指の曲げと離れを検出可能。2000サイクル試験で曲げ時に電流ピークが鋭く上昇、離れ時にベースライン復帰（図9a）。シンプルなLED回路でリアルタイム視覚フィードバック実証：穏やかな曲げでLED輝度維持、引張ひずみ増加で減光、ひずみ状態の低複雑性表示提供（図10）。

結論

高伸縮性・導電性TPU-PANIナノファイバー複合材料の簡便・低コスト製造ルートを実証。結果として得られたひずみセンサは、165%までのひずみを高速・再現性よく検出、広い温度窓で伝導性維持、ウェアラブルまたはフレキシブル電子システムへの統合可能。軽量、低コスト、堅牢な性能により、次世代ウェアラブルバイオセンシングとフレキシブル回路の魅力的プラットフォームとなる。

略語

DI water

脱イオン水

PANI

ポリアニリン

TPU

熱可塑性ポリウレタン