成果简介
开发兼具高性能和成本效益的柔性可穿戴应变传感器仍是一项挑战。本文，青岛大学黄林军和唐建国课题组《 ACS Appl Nano Mater》期刊发表名为“Polydopamine/Carbon Black/Carbon Nanofiber/Thermoplastic Polyurethane Composite Nanofiber Strain Sensor with Ultrahigh Loading Rate for Human Activity Monitoring”的论文，研究提出了基于同类相溶原理的极性诱导吸附理论，该理论可显著提高碳纳米材料在 TPU 电纺纳米纤维基底上的负载率，并通过引入二元混合分散剂体系，构建了具有二元碳基活性填料双模三维纳米桥接结构的柔性 PDA/CB/CNF/TPU 应变传感器（PCCT）。
各种体系在加载速率和薄层电阻上的相似效应趋势证明了极性诱导吸附理论的客观存在性和适用性，然后分析并解释了该模型的微观作用机理。在此基础上总结出的优化方案使 PCCT 具有 59.5% 的超高碳纳米材料负载率和 68. 5 Ω/sq，这使得所构建的具有协同双桥结构的高密度三维导电网络能够展现出全拉伸范围的响应性（0.12-285%）和高灵敏度（GF = 25.5 (0-100%)、84.3 (100-200%) 和 312.4 (200-285%)），实现了低成本器件的性能提升。最后，对不同程度的应变（包括人体关节运动和眨眼等肌肉运动）的响应测试证明了 PCCT 在人体监测领域的实用价值和广泛应用。
图文导读
图1.PCCT的制备过程和表征。
图2.多级纤维的表面形貌特征
图3.多级纤维的物理相组成和相互作用
图4.传感器的电导率与分散剂的极性之间的关系。
图5.导电填料的浓度、附着时间和顺序对片材电阻的影响。
图6. CB/CNF/TPU 中二元填料在不同应变下的协同响应机制。
图6.PCCT的电阻响应特性
图7.PCCT在人体运动检测中的应用
小结
采用静电纺丝和逐层自组装工艺，成功制备了掺杂二元碳纳米材料的柔性PDA/CB/CNF/TPU应变传感器（PCCT），具有双模三维纳米刷桥结构。比较分析了分散体系中溶剂对碳纳米材料负载速率和片状阻力的影响以及极性诱导吸附效应的机理，总结了最佳制备参数，从而制备出具有59.5%极高活性材料负载率和68.5 Ω/sq超低片状阻力的导电器件， 也证明了极性诱导效应的可行性和可靠性。
最终，高密度碳纳米材料和PDA封装层的双模桥接结构的协同效应赋予了PCCT强大的传感性能，在整个拉伸范围内表现出宽响应范围（285%），高灵敏度（GF = 25.5（0-100%），84.3（100-200%）和312.4（200-285%）），低检测限（<0.12%），快速响应时间和恢复时间（287和457 ms）， 以及良好的耐久性（50%应变下1000次循环），实现了使用低成本材料制备高性能应变传感器的目标。PDA的粘合基团和亲水基团也使PCCT具有显著的结构坚固性和11.8°的优异亲水性，为传感器提供了出色的佩戴舒适性。对人体生理活动信号的最终测试表明，PCCT能够满足对眨眼、吞咽和肌肉绷紧时的小应变以及关节弯曲时的大应变的准确、快速、稳定响应的要求，证明了其在可穿戴设备和人体监测领域的应用价值和巨大潜力。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01299
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