Flexible and wearable carbon black/thermoplastic polyurethane foam with a pinnate-veined aligned porous structure for multifunctional piezoresistive sensors

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作者
Yue Zhai,Yunfei Yu,Kangkang Zhou,Zhigeng Yun,Wenju Huang,Hu Liu,Quanjun Xia,Kun Dai,Guoqiang Zheng,Chuntai Liu,Changyu Shen
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:382: 122985-122985 被引量:238
标识
DOI:10.1016/j.cej.2019.122985
摘要

In this paper, flexible conductive carbon black (CB)/thermoplastic polyurethane (TPU) foam (CTF) with an intriguing pinnate-veined aligned porous structure was fabricated via a unidirectional freeze-drying process. The density, porosity and average pore size of the composite foam are 0.13 g cm−3, 83.7% and 24.9 μm, respectively. CB particles are uniformly dispersed in the skeleton of the as-prepared foam, resulting in a low percolation threshold of 0.48 vol%. The CTF is capable of distinguishing different compressive strain by change of the relative resistance. Its responsive behaviors towards compressive strain present an excellent linear characteristic with a high gauge factor (GF) up to 1.55. In the piezoresistive tests, the CTF shows a fast response/relaxation time (150/150 ms), fascinating recoverability, excellent response stability within a wide workable detection range up to 80% strain (corresponding pressure of 584.4 kPa) and a superior durability (>10000 cycles), which is mainly related to the pinnate-veined aligned porous structure along the orientation direction. The CTF was then assembled as a wearable sensor to monitor various human motions such as arm bending, squatting, tiptoeing, etc., showing good detection performances. The sensor can also deal with water pollution through oil/water separation, suggesting its multifunctionality and promising prospects in complicated situations.
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