[论文解读] Flexible Ultrastrong 100-nm Polyethylene Membranes with Polygonal Pore Structures

Jin Li, Runlai Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2019

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型制造方法，用于制备厚度为100-nm、超强度且高度柔性的聚乙烯膜，其具有多边形互连孔结构，采用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。该膜在面内方向的抗拉强度达到约900 MPa——是不锈钢的两倍——使其适用于无基底的柔性传感器和先进膜材料。

ABSTRACT

Robust nanoporous polymer films with approximate 100-nm thicknesses would be broadly applicable in technological areas such as flexible sensors, artificial skins, separators, antireflection and self-cleaning films. However, the creation of these films has been extremely challenging. To date, all reported ultrathin films are of insufficient mechanical strength for use without substrate supports. We describe here the fabrication of a new ultrastrong and highly flexible ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) 100-nm porous membrane. Scanning and transmission electron microscopy evaluations of film microstructures reveal a planar fibrous structure with randomly oriented polygonal interconnected pores. Moreover, the tensile strength of this film is twice as strong as that of solid stainless steel, with a measured in-plane tensile strength and ductility of approximately 900 MPa and 26%, respectively. We further coated our newly developed film with a monolayer graphene to invent an optically transparent and fully conformable piezoresistive skin sensor and thus demonstrated a potential application.

研究动机与目标

• 开发坚固的、超薄（100-nm）无基底支持的纳米多孔聚合物薄膜，用于柔性电子器件和先进膜材料。
• 克服现有超薄薄膜机械性能薄弱的问题，后者限制了其在承载或柔性应用中的使用。
• 在多孔聚乙烯结构中实现高抗拉强度和延展性，同时保持柔韧性和可加工性。
• 通过材料创新，实现柔性压阻传感器和自清洁或抗反射涂层等新应用。
• 展示将石墨烯与多孔膜集成的可行性，以实现光学透明、全贴合的传感性能。

提出的方法

• 通过受控的溶液浇铸和单轴拉伸工艺制备超高分子量聚乙烯（UHMWPE）薄膜，以诱导平面纤维取向排列。
• 在薄膜制备过程中，通过模板法或相分离法构建多边形互连孔结构。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征微观结构，并确认存在随机取向、相互连通的孔结构。
• 通过单轴拉伸试验测量力学性能，以确定面内抗拉强度和延展性。
• 在多孔膜表面涂覆单层石墨烯，以构建全贴合、光学透明的压阻式传感器。
• 通过在机械应变下测量电学响应，验证传感器性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否制备出足够机械强度的100-nm厚聚乙烯膜，使其在无基底支持下仍可正常工作？
• RQ2 哪些微观结构特征（如孔几何形状、纤维取向）使得UHMWPE膜具备卓越的抗拉强度？
• RQ3 能否将多孔膜与石墨烯结合，以实现透明、柔性且高灵敏度的压阻式传感器？
• RQ4 多孔UHMWPE膜的抗拉强度与传统结构材料（如不锈钢）相比如何？
• RQ5 多边形孔结构在多大程度上促进了机械鲁棒性和柔韧性？

主要发现

• 所制备的100-nm厚UHMWPE膜表现出约900 MPa的面内抗拉强度，是实心不锈钢的两倍。
• 该膜表现出显著的延展性，断裂伸长率测量值达26%，表明其具有高韧性与柔韧性。
• 通过SEM和TEM的微观结构分析证实，存在平面纤维网络结构，且孔结构为随机取向、相互连通的多边形孔。
• 该多孔膜在无需刚性基底的情况下仍能保持结构完整性和机械鲁棒性。
• 涂覆单层石墨烯的膜可作为光学透明、全贴合的压阻式皮肤传感器发挥作用。
• 石墨烯的集成实现了高灵敏度和高贴合性，为可穿戴和柔性电子器件应用提供了可行路径。