一种基于TPU/PCL/MXene@PEDOT:PSS纳米纤维的柔性压阻式压力传感器，具有高灵敏度和宽测量范围

《Journal of Alloys and Compounds》：A flexible piezoresistive pressure sensor with high sensitivity and wide sensing range based on TPU/PCL/MXene@PEDOT:PSS nanofibers

柔性压力传感器通过TPU/PCL纳米纤维嵌入MXene并涂覆PEDOT:PSS实现高灵敏度（7.05 kPa?1）和宽检测范围（100 kPa），响应时间0.11秒，耐2000次循环，适用于生物监测和电子皮肤。

　　

创武|江曼琳|吴家成|张久新

扬州大学机械工程学院，中国扬州225127

摘要

为了解决传统静电纺丝系统中MXene形成稳定且连续导电路径的难题，我们开发了一种高性能柔性压力传感器，该传感器采用了协同嵌入-涂层双导电架构。通过一步静电纺丝工艺制备了均匀掺杂MXene的TPU/PCL纳米纤维膜，随后进行PEDOT:PSS浸涂以构建外部导电层。后续使用Ecoflex 00-30进行封装，确保了机械完整性并保持了连续的多层电子传输网络。结构表征证实MXene在纳米纤维中均匀分布，且PEDOT:PSS在表面形成连续覆盖。优化后的传感器在低压区域的最大灵敏度为7.05 kPa?1，检测范围可达100 kPa，能够可靠地检测微弱高压信号。此外，该传感器具有快速动态响应（响应/恢复时间分别为0.11秒和0.31秒）、低检测限（50 Pa）以及超过2000次加载循环后的优异耐用性。实验验证了其在不同身体部位（如手腕运动、吞咽时的喉咙运动以及各种关节运动）检测微弱生理信号的能力。总体而言，这种协同双导电策略为可穿戴健康监测、电子皮肤和人机交互提供了有前景的平台。

引言

得益于智能材料、人工智能和物联网的进步，信息技术不断向更高水平的集成和数字化发展，对高性能传感系统的需求不断增加[1]。作为信息感知和交互的关键载体，柔性压力传感器因其出色的灵活性、高灵敏度和佩戴舒适性而受到广泛关注，为人机交互和健康监测带来了变革潜力[2]、[3]、[4]、[5]。这些传感器在电子皮肤[6]、[7]、软体机器人[8]、智能纺织品[9]和个性化医疗监测[10]等领域具有广泛应用前景。在各种传感机制中（包括压阻式[11]、[12]、电容式[13]、[14]、压电式[15]、[16]和摩擦电式[17]、[18]），压阻式传感器因其结构简单、易于制造、检测范围广和信号采集方便而备受青睐，是最有前景的方法之一。然而，同时实现高灵敏度、机械稳定性、耐用性和佩戴舒适性仍是一个重大挑战[19]。当前策略主要集中在先进材料选择和创新结构设计上[20]。导电材料和柔性基底的选择对性能提升至关重要。多种纳米导电材料（如金属纳米颗粒[21]、金属氧化物半导体（例如ZnO）[22]、炭黑[23]、碳纳米管[24]、导电聚合物（例如PEDOT:PSS）[25]和二维材料（例如MXene）[26]、[27]）已被广泛研究。MXene（Ti?C?T?）纳米片作为一种新兴的二维过渡金属碳化物/氮化物，因其超高的电导率、较大的比表面积以及丰富的表面官能团（–O、–F、–OH）而受到广泛关注，这些官能团能与聚合物基体形成强界面相互作用，显著提升复合材料的电学和机械性能[28]。然而，仅基于MXene的传感器往往灵敏度有限。例如，Yan等人通过将静电纺丝得到的TPU纳米纤维与碱处理的MXene（Ti?C?T?）结合，实现了宽检测范围（高达300 kPa），但在低压范围（0–13 kPa）内的灵敏度仅为2.88 kPa?1，不足以实现高精度检测[29]。另一方面，PEDOT:PSS作为一种导电聚合物，具有高导电性、优异的环境稳定性和良好的成膜性能[30]、[31]，但其固有的脆性和在重复变形下的网络损伤限制了其在机械耐用传感器中的应用[32]。对于柔性基底，大多数报道的传感器依赖于PDMS[33]和PET[34]等不透水聚合物，长期佩戴可能引起皮肤刺激和不适，限制了其在健康监测中的实际应用[35]。因此，选择合适的材料对传感器性能至关重要[36]。因此，使用更具生物相容性和柔软性的Ecoflex-00-30作为封装层可以有效提高佩戴舒适性，并显著降低长时间监测期间的皮肤刺激风险[37]。

尽管MXene和PEDOT:PSS在柔性传感方面各自表现出优异性能，但将MXene和PEDOT:PSS与生物相容的TPU/PCL基底系统地集成以构建多层协同结构仍较为罕见[38]。通过静电纺丝成功制备了PCL/MXene纳米纤维支架，证明了这两种成分之间的良好相容性，并为组织工程应用带来了希望[39]、[40]。这些发现为本研究选择柔性且生物相容的TPU/PCL基质以及采用成熟的静电纺丝策略提供了重要指导。然而，如何将这些复合系统从结构支撑材料转化为高性能动态传感器，以及如何通过与PEDOT:PSS的协同集成解决灵敏度和稳定性之间的权衡，仍是亟待系统探索的关键挑战。目前的MXene掺杂方法通常依赖于后处理步骤（如在预制备的纤维膜上涂层或过滤），导致界面粘附力弱，在循环应力下容易分层[41]、[42]。直接且稳定地将MXene纳米片嵌入静电纺丝前驱体溶液中以制备均匀掺杂的纳米纤维膜面临MXene聚集和复杂溶液参数控制等挑战[43]，相关研究较少。

为克服这些挑战，本研究创新性地开发了一种多层复合柔性压力传感器，以TPU/PCL/MXene静电纺丝纳米纤维为核心，PEDOT:PSS作为导电增强层，Ecoflex 00-30作为封装层。这种设计实现了MXene在TPU/PCL纺丝溶液中的稳定分散，一步静电纺丝将MXene纳米片嵌入纤维中，形成了坚固的“嵌入式”三维导电网络，从根本上提高了导电层的稳定性。引入PEDOT:PSS作为界面增强层与MXene协同作用，显著提高了电荷传输效率。值得注意的是，Ecoflex 00-30具有类似皮肤的特性和优异的透气性，其杨氏模量和气体渗透性低于传统的PDMS/PET，从而提高了佩戴舒适性并减少了长期使用时的皮肤刺激。最终的“三明治”结构结合了MXene@PEDOT:PSS的协同导电界面，充分利用了各组分的优势，实现了互补的性能。

由于多孔静电纺丝纳米纤维膜的存在，该传感器表现出优异的机械稳定性、高灵敏度和良好的透气性。MXene与聚合物基质之间的氢键作用以及PEDOT:PSS的界面粘合确保了结构的完整性和耐用性。性能测试显示其检测范围广（0–12 kPa范围内灵敏度为7.05 kPa?1，12–36 kPa范围内为2.77 kPa?1）、低检测限（50 Pa）、快速响应/恢复时间（约0.11/0.31秒），以及出色的循环稳定性（2000次加载-卸载循环后信号仍稳定）。实验验证表明，该传感器能够准确检测从微弱的手腕运动和吞咽时的喉咙运动到手指和关节的大幅度弯曲等各种生理和运动信号。总体而言，本研究为下一代高性能、高舒适度的可穿戴健康监测设备和电子皮肤提供了一种新颖有效的策略，展示了巨大的应用潜力。

材料

热塑性聚氨酯（TPU，Elastollan 1185A）购自BASF China；聚己内酯（PCL，分子量约80,000）购自Sigma-Aldrich（美国）。MXene（Ti?C?T?，其中T?表示表面官能团如–O、–OH和–F）的水分散液由广东新禧科技有限公司提供。PEDOT:PSS（PH1000，水分散液）购自深圳亿来科技有限公司。铂固化硅橡胶（SR）化合物Ecoflex 00-30（两种成分按1:1比例混合）

TPU/PCL/MXene@PEDOT:PSS薄膜的形态和化学结构表征

首先使用SEM研究了TPU/PCL基纳米纤维膜的形态和微观结构，因为这些形态特征直接反映了材料的生长机制和最终的结构特性。如图2a所示，原始的TPU/PCL膜呈现出随机取向的纤维网络，纤维表面光滑，纤维直径均匀，表明静电纺丝过程稳定。随后，材料生长进入

结论

总之，通过优化的静电纺丝和浸涂工艺成功制备了一种基于TPU/PCL/MXene@PEDOT:PSS纳米纤维复合膜的柔性压阻式传感器。MXene基内部导电路径与封装的PEDOT:PSS层的结合形成了分层嵌入-封装的导电网络，显著增强了材料的机电耦合性能。因此，该传感器实现了7.05 kPa的高灵敏度

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的支持数据可在合理请求下从相应作者处获得。

资助

江苏省高等教育机构基础科学（自然科学）研究项目（23KJD430014），创武；扬州市“绿色扬金凤凰项目”（YZLYJFJH2021YXBS098），创武。

作者贡献声明

张久新：资源获取、资金筹措。吴家成：方法论、研究。江曼琳：撰写——初稿、软件、数据管理、概念化。创武：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。