一、 研究概述
该研究开发了一种基于热塑性聚氨酯（TPU）静电纺丝膜和碳纳米管（CNTs）的高性能柔性应变传感器（命名为CT传感器）。通过调控纺丝参数和CNTs负载量，该传感器实现了高灵敏度（GF=420.17）、宽检测范围（0-200%应变）以及优异的循环稳定性，并成功应用于人体运动监测。
二、 核心研究要点与配图解析
1. 传感器制备策略与机理
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设计思路：采用静电纺丝制备TPU纤维膜作为柔性基底，利用真空抽滤法将CNTs均匀负载于纤维表面，形成导电网络。
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优势：静电纺丝纤维膜的多孔结构和载体作用，解决了CNTs在传统聚合物中分散不均和易脱落的问题。
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图1：CNTs/TPU柔性应变传感器的制备工艺示意图
解析：展示了从TPU溶液静电纺丝，到CNTs抽滤负载，再到最终传感器组装的完整流程。
2. 关键工艺参数优化
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TPU浓度筛选：实验发现，20 wt% 是最佳纺丝浓度，低于此值会出现液滴（Beads），高于此值会导致纤维粘连。
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接收辊转速影响：转速越低，纤维直径越大（应力拉伸小）。100 r/min 条件下制备的纤维膜（TPU-100）具有最大的平均纤维直径（~1.10 μm）和最稳定的支架结构。
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图2：不同TPU质量分数下的静电纺丝膜SEM图像
解析：(a)14wt%, (b)17wt%, (c)20wt%, (d)23wt%。可见20wt%时纤维形貌最均匀，无串珠和粘连。
图3：不同接收辊转速下TPU纤维的直径分布统计
解析：随着转速从100 r/min提升至500 r/min，纤维平均直径从1.10 μm减小至0.19 μm。
3. 传感性能与机理分析
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CNTs负载量：通过过滤不同体积的CNTs悬浮液（2.5–15 mL）发现，10 mL 是最佳用量。过少则导电通路不足，过多则网络过于致密，不利于应变时的电阻变化。
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灵敏度（Gauge Factor, GF）：在0-200%应变范围内，CT-100传感器（100 r/min制备）的GF值高达420.17，远超传统物理共混法制备的TPU/CNTs传感器（通常GF<30）。
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机理：低转速下的大直径纤维承载了更多的CNTs，拉伸时导电网络破坏程度更大，导致电阻变化率更高。
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图5：CT传感器拉伸前后的SEM图像
解析：(a)拉伸前，(b)拉伸恢复后。可见CNTs导电层依然紧密包裹纤维；放大图(c,d)显示了裂纹处CNTs的连接状态，解释了宽应变范围的工作原理。
图7：不同转速制备传感器的电学响应对比
解析：(a)相对电阻随应变的变化曲线，证明CT-100（100r/min）灵敏度最高；(b-d)不同应变下的循环稳定性测试。
4. 力学性能测试
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结果：CT-100传感器展现了卓越的力学强度。拉伸强度达6.22 MPa，断裂伸长率高达575%。
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原因：大直径纤维构成的稳定支架结构以及CNTs与TPU分子链间的氢键作用。
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图8：TPU纤维膜及CT传感器的应力-应变曲线
解析：(a)TPU基底，(b)CT传感器。显示随着转速降低（100 r/min），材料的断裂伸长率和拉伸强度均达到最优。
5. 实际应用：人体运动监测
该传感器被贴附于人体不同关节部位，能够精准识别手指弯曲角度、手腕转动、脉搏跳动、手臂抬起及膝关节弯曲等微小和大形变动作。
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图10：CT-100传感器在人体运动监测中的应用
解析：(a)手指弯曲，(b)不同弯曲角度响应，(c)手腕弯曲，(d)手指按压，(e)手臂运动，(f)膝盖运动。展示了传感器在不同生理信号和运动信号监测中的实时电阻变化曲线。
三、 结论总结
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关键指标 |
最佳条件/数值 |
性能表现 |
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纺丝液浓度 |
20 wt% TPU |
纤维形貌均匀，无串珠 |
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接收辊转速 |
100 r/min |
纤维直径最大(~1.10μm)，结构最稳 |
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CNTs负载量 |
10 mL (2 mg/mL) |
导电网络最优 |
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灵敏度(GF) |
420.17 (@200%应变) |
远高于同类物理共混材料 |
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断裂伸长率 |
575% |
宽应变检测范围 |
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循环稳定性 |
300次循环 (@10%应变) |
信号无明显衰减 |
这项研究通过简单的工艺调控，成功制备了兼具高灵敏度和高拉伸性的柔性传感器，为智能可穿戴设备和人机交互提供了新材料平台。
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.127120
转自《石墨烯研究》公众号
