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Authors
Abstract(s)
Due to the ever-increasing amount of the population focusing on their personal health,
thanks to rising living standards, nowadays we are facing the need to improve personal
healthcare devices, which mostly depend on laborious, time-consuming, and convoluted
procedures, relying heavily on cumbersome equipment. Thus, patients repeatedly suffer from
discomfort and pain caused by invasive methods related to sample-gathering, blood sampling
and other traditional bench-top techniques. With this in mind, the solution lies in the
development of new flexible sensors with temperature, humidity, strain, pressure and sweat
detection and monitoring capabilities, mimicking some of the skin’s sensory capabilities.
Therefore, the aim of this dissertation was manufacturing, characterizing, and testing
possible applications of a piezoresistive strain sensor based on a polydimethylsiloxane (PDMS)
composite nano reinforced with reduced graphene oxide (rGO), with the physical and
electromechanical characteristics required for the effective detection of joint movement and
breathing pattern monitoring. The samples were prepared via elements of solution casting and
solvent casting, followed by characterization of the piezoresistive effect of the material, its
mechanical properties (3-point bending and tensile), morphological (SEM), structural (FTIR),
and thermal (TGA) properties, along with performance testing in volunteer’s body parts.
Regarding results, it was possible to observe the influence of the used PDMS’ elastomercrosslinker ratio, cure temperature and time, chosen dispersant and rGO content in the final
performance of the sensor, with the possibility to tune certain characteristics to be better
adjusted to specific applications. Moreover, in cyclic piezoresistive tests, the obtained average
gauge factors, a measure of the sensor’s sensitivity, ranged from 7.49-14.85 for 3 wt.%, 9.84-
30.8 for 4 wt.%, and 0.56-9.16 for 5 wt.% rGO, establishing these samples as effective
piezoresistive sensors for bioengineering applications.
Furthermore, it was also concluded that, for this kind of application, the indicated
elastomer-crosslinker is 15:1, cured at 120ºC for 20 minutes, with isopropyl alcohol as the
dispersant and a rGO content between 3-5 wt.%, depending on the necessities of the application.
The composites with a rGO content between 3% and 5% exhibited good mechanical linearity (R2
= 0.995, 0.999, 0.996) and satisfactory piezoresistive performance, at the 1.54-2.87% strain
range, stability in the 100 cycle 3-point bending tests, the tensile strength varied from 1.05 MPa
to 3.084 MPa, the degradation temperature ranged from 380 ºC to 410 ºC, as well as
composites reversibly losing their electrical component before the structure integrity is lost,
when tensile tested, and the ability to detect and monitor joint movement and breathing
patterns.
A crescente preocupação com os cuidados de saúde pessoais tornou necessária a melhoria dos dispositivos de saúde pessoais, cujo funcionamento se baseia principalmente à volta de procedimentos complexos e trabalhosos que dependem de equipamentos volumosos e pesados. Assim, os pacientes sofrem de constante desconforto e dor causados por métodos invasivos relacionados como a recolha de amostras e a colheita de sangue, bem como outras técnicas tradicionais. A solução passa pelo desenvolvimento de novos sensores flexíveis capazes de detetar e monitorizar temperatura, humidade, deformação, pressão e suor. Assim, o objetivo desta dissertação foi fabricar, caracterizar e testar possíveis aplicações de um sensor de deformação piezoresistivo à base do compósito de dimetilpolissiloxano (PDMS) nano reforçado com óxido de grafeno reduzido (rGO), com as características físicas e eletromecânicas necessárias para detetar o movimento de articulações e padrões de respiração. As amostras foram preparadas por elementos do solution casting e solvent casting, seguidas pela caracterização do seu efeito piezoresistivo, as suas propriedades mecânicas (ensaios de flexão em 3 pontos e tração), morfológica por microscópio eletrónico de varrimento (SEM), químicas por espetroscopia de reflexão total atenuada/espetroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (ATR/FTIR) e térmicas por análise termogravimétrica (TGA) assim como testes de desempenho em partes do corpo de voluntários. Assim, foi possível observar a influência da razão elastómero-endurecedor do PDMS utilizado, bem como a temperatura e o tempo de cura, o dispersante escolhido e o teor de rGO no desempenho final do sensor, com a possibilidade de afinar determinadas características do mesmo, para se adequar a aplicações específicas. Além disso, em testes piezoresistivos cíclicos, os gauge factors médios obtidos, uma medida da sensibilidade do sensor, variaram entre 7.49- 14.85 para 3 wt.%, 9.84-30.8 para 4 wt.%, e 0.56-9.16 para 5 wt.% de rGO, estabelecendo estas amostras como sensores piezoresistivos eficazes para aplicações de bioengenharia. Concluiu-se também que, para aplicações deste tipo, o rácio elastómero-crosslinker mais indicado é 15:1, a cura a 120 ºC durante 20 minutos, o dispersante mais indicado é o álcool isopropílico e o conteúdo de rGO deve-se encontrar entre 3-5 wt.%, dependendo das necessidades de deformação. Os compósitos com concentrações de rGO entre 3% e 5% apresentaram comportamento mecânico com boa linearidade (R2 = 0.995, 0.999, 0.996) e comportamento piezoresistivo satisfatório entre 1.54 % e 2.87 % de deformação, estabilidade até 100 ciclos de flexão a 3 pontos, resistência mecânica à tração entre 1.05 MPa e 3.084 MPa, temperatura de degradação entre 380 ºC e 410 ºC, bem como a perda reversível da sua componente elétrica antes da rutura da estrutura, quando tracionados, e a capacidade de monitorizar o movimento de articulações e de padrões de respiração.
A crescente preocupação com os cuidados de saúde pessoais tornou necessária a melhoria dos dispositivos de saúde pessoais, cujo funcionamento se baseia principalmente à volta de procedimentos complexos e trabalhosos que dependem de equipamentos volumosos e pesados. Assim, os pacientes sofrem de constante desconforto e dor causados por métodos invasivos relacionados como a recolha de amostras e a colheita de sangue, bem como outras técnicas tradicionais. A solução passa pelo desenvolvimento de novos sensores flexíveis capazes de detetar e monitorizar temperatura, humidade, deformação, pressão e suor. Assim, o objetivo desta dissertação foi fabricar, caracterizar e testar possíveis aplicações de um sensor de deformação piezoresistivo à base do compósito de dimetilpolissiloxano (PDMS) nano reforçado com óxido de grafeno reduzido (rGO), com as características físicas e eletromecânicas necessárias para detetar o movimento de articulações e padrões de respiração. As amostras foram preparadas por elementos do solution casting e solvent casting, seguidas pela caracterização do seu efeito piezoresistivo, as suas propriedades mecânicas (ensaios de flexão em 3 pontos e tração), morfológica por microscópio eletrónico de varrimento (SEM), químicas por espetroscopia de reflexão total atenuada/espetroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (ATR/FTIR) e térmicas por análise termogravimétrica (TGA) assim como testes de desempenho em partes do corpo de voluntários. Assim, foi possível observar a influência da razão elastómero-endurecedor do PDMS utilizado, bem como a temperatura e o tempo de cura, o dispersante escolhido e o teor de rGO no desempenho final do sensor, com a possibilidade de afinar determinadas características do mesmo, para se adequar a aplicações específicas. Além disso, em testes piezoresistivos cíclicos, os gauge factors médios obtidos, uma medida da sensibilidade do sensor, variaram entre 7.49- 14.85 para 3 wt.%, 9.84-30.8 para 4 wt.%, e 0.56-9.16 para 5 wt.% de rGO, estabelecendo estas amostras como sensores piezoresistivos eficazes para aplicações de bioengenharia. Concluiu-se também que, para aplicações deste tipo, o rácio elastómero-crosslinker mais indicado é 15:1, a cura a 120 ºC durante 20 minutos, o dispersante mais indicado é o álcool isopropílico e o conteúdo de rGO deve-se encontrar entre 3-5 wt.%, dependendo das necessidades de deformação. Os compósitos com concentrações de rGO entre 3% e 5% apresentaram comportamento mecânico com boa linearidade (R2 = 0.995, 0.999, 0.996) e comportamento piezoresistivo satisfatório entre 1.54 % e 2.87 % de deformação, estabilidade até 100 ciclos de flexão a 3 pontos, resistência mecânica à tração entre 1.05 MPa e 3.084 MPa, temperatura de degradação entre 380 ºC e 410 ºC, bem como a perda reversível da sua componente elétrica antes da rutura da estrutura, quando tracionados, e a capacidade de monitorizar o movimento de articulações e de padrões de respiração.
Description
Keywords
Bioengenharia Compósitos Poliméricos Nanomateriais Piezoresistividade Polímeros Eletroativos Sensores Flexíveis