一、 研究概述
該研究開發了一種基于熱塑性聚氨酯（TPU）靜電紡絲膜和碳納米管（CNTs）的高性能柔性應變傳感器（命名為CT傳感器）。通過調控紡絲參數和CNTs負載量，該傳感器實現了高靈敏度（GF=420.17）、寬檢測范圍（0-200%應變）以及優異的循環穩定性，并成功應用于人體運動監測。
二、 核心研究要點與配圖解析
1. 傳感器制備策略與機理
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設計思路：采用靜電紡絲制備TPU纖維膜作為柔性基底，利用真空抽濾法將CNTs均勻負載于纖維表面，形成導電網絡。
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優勢：靜電紡絲纖維膜的多孔結構和載體作用，解決了CNTs在傳統聚合物中分散不均和易脫落的問題。
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圖1：CNTs/TPU柔性應變傳感器的制備工藝示意圖
解析：展示了從TPU溶液靜電紡絲，到CNTs抽濾負載，再到最終傳感器組裝的完整流程。
2. 關鍵工藝參數優化
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TPU濃度篩選：實驗發現，20 wt%? 是最佳紡絲濃度，低于此值會出現液滴（Beads），高于此值會導致纖維粘連。
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接收輥轉速影響：轉速越低，纖維直徑越大（應力拉伸小）。100 r/min? 條件下制備的纖維膜（TPU-100）具有最大的平均纖維直徑（~1.10 μm）和最穩定的支架結構。
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圖2：不同TPU質量分數下的靜電紡絲膜SEM圖像
解析：(a)14wt%, (b)17wt%, (c)20wt%, (d)23wt%。可見20wt%時纖維形貌最均勻，無串珠和粘連。
圖3：不同接收輥轉速下TPU纖維的直徑分布統計
解析：隨著轉速從100 r/min提升至500 r/min，纖維平均直徑從1.10 μm減小至0.19 μm。
3. 傳感性能與機理分析
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CNTs負載量：通過過濾不同體積的CNTs懸浮液（2.5–15 mL）發現，10 mL? 是最佳用量。過少則導電通路不足，過多則網絡過于致密，不利于應變時的電阻變化。
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靈敏度（Gauge Factor, GF）：在0-200%應變范圍內，CT-100傳感器（100 r/min制備）的GF值高達420.17，遠超傳統物理共混法制備的TPU/CNTs傳感器（通常GF<30）。
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機理：低轉速下的大直徑纖維承載了更多的CNTs，拉伸時導電網絡破壞程度更大，導致電阻變化率更高。
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圖5：CT傳感器拉伸前后的SEM圖像
解析：(a)拉伸前，(b)拉伸恢復后。可見CNTs導電層依然緊密包裹纖維；放大圖(c,d)顯示了裂紋處CNTs的連接狀態，解釋了寬應變范圍的工作原理。
圖7：不同轉速制備傳感器的電學響應對比
解析：(a)相對電阻隨應變的變化曲線，證明CT-100（100r/min）靈敏度最高；(b-d)不同應變下的循環穩定性測試。
4. 力學性能測試
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結果：CT-100傳感器展現了卓越的力學強度。拉伸強度達6.22 MPa，斷裂伸長率高達575%。
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原因：大直徑纖維構成的穩定支架結構以及CNTs與TPU分子鏈間的氫鍵作用。
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圖8：TPU纖維膜及CT傳感器的應力-應變曲線
解析：(a)TPU基底，(b)CT傳感器。顯示隨著轉速降低（100 r/min），材料的斷裂伸長率和拉伸強度均達到最優。
5. 實際應用：人體運動監測
該傳感器被貼附于人體不同關節部位，能夠精準識別手指彎曲角度、手腕轉動、脈搏跳動、手臂抬起及膝關節彎曲等微小和大形變動作。
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圖10：CT-100傳感器在人體運動監測中的應用
解析：(a)手指彎曲，(b)不同彎曲角度響應，(c)手腕彎曲，(d)手指按壓，(e)手臂運動，(f)膝蓋運動。展示了傳感器在不同生理信號和運動信號監測中的實時電阻變化曲線。
三、 結論總結
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關鍵指標 |
最佳條件/數值 |
性能表現 |
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紡絲液濃度? |
20 wt% TPU |
纖維形貌均勻，無串珠 |
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接收輥轉速? |
100 r/min |
纖維直徑最大(~1.10μm)，結構最穩 |
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CNTs負載量? |
10 mL (2 mg/mL) |
導電網絡最優 |
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靈敏度(GF)? |
420.17 (@200%應變) |
遠高于同類物理共混材料 |
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斷裂伸長率? |
575% |
寬應變檢測范圍 |
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循環穩定性? |
300次循環 (@10%應變) |
信號無明顯衰減 |
這項研究通過簡單的工藝調控，成功制備了兼具高靈敏度和高拉伸性的柔性傳感器，為智能可穿戴設備和人機交互提供了新材料平臺。
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.127120
轉自《石墨烯研究》公眾號
