研究人員在3D打印納米材料增強(qiáng)聚氨酯柔性傳感器領(lǐng)域取得新進(jìn)展
文章來源：環(huán)球聚氨酯網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-12-26 16:59:07
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隨著信息時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)傳感器的探測(cè)范圍、靈敏度、穩(wěn)定性和功能豐富度提出了更高的要求。對(duì)于特定條件下的應(yīng)力、溫度和氣體等監(jiān)測(cè)需求，傳統(tǒng)傳感器已無法滿足實(shí)際需要，柔性可穿戴傳感器近來年受到廣泛關(guān)注。然而，制造高靈敏度和寬檢測(cè)范圍的柔性應(yīng)變傳感器仍受到來自材料技術(shù)和制造手段的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的制造方法如模具成型、熱壓、靜電紡絲等，在功能柔性設(shè)備的生產(chǎn)中面臨各種困難和限制，難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)柔性傳感器的需求。
針對(duì)上述問題，吳鑫副教授課題組在前期的研究工作基礎(chǔ)上，利用溶液混合澆注法和雙螺桿擠出技術(shù)，制備了高性能熱塑性聚氨酯/多壁碳納米管（TPU/MWCNT）納米復(fù)合材料3D打印用絲材，并結(jié)合FDM 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、快速地制造高性能柔性應(yīng)變傳感器(圖1)。同時(shí)，提出了通過添加 PCA（1-芘甲酸） 改善 MWCNT 在 TPU 復(fù)合材料中的分散性，進(jìn)而提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性以及在不同拉伸應(yīng)變下機(jī)械和電學(xué)性能的方法。研究發(fā)現(xiàn)，制備的TPU/MWCNT（3wt%）/PCA納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)電性能以及3D打印的TPU/MWCNT(3wt%)/PCA 柔性應(yīng)變傳感器在寬應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出驚人的靈敏度（GF max=10279.95）。同時(shí)，3D 打印的柔性傳感器顯示出卓越的耐用性和可重復(fù)性。
圖1. 文章圖片摘要 碳納米管在TPU 納米復(fù)合材料中的分散性是影響傳感器性能和機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。為此，課題組提出一種通過添加PCA提高復(fù)合材料分散性的方法。通過高分辨FESEM 觀察不同 MWCNT 填充濃度下的 TPU 納米復(fù)合材料 3D 打印樣品的表面形態(tài)(圖2)。從圖 2（a、c、e）中可以看出，在不添加PCA的情況下，隨著 MWCNT 填充濃度的增加，TPU 復(fù)合材料中的 MWCNT 團(tuán)聚現(xiàn)象加劇（代表 MWCNT 的小白點(diǎn)），尤其是在 MWCNT 含量為 4wt% 時(shí)，TPU 納米復(fù)合材料中的 MWCNT 團(tuán)聚現(xiàn)象更為明顯（圖 2（e））。添加PCA后（圖 2（b、d、f）），可以清楚地觀察到MWCNT在復(fù)合材料中均勻分布，而不是聚集在一起，這表明添加PCA后，TPU/MWCNT/PCA復(fù)合材料具有更好的 MWCNT 分散性。這些觀察結(jié)果表明，添加 PCA 可有效改善 MWCNT 在基于TPU的納米復(fù)合材料中的分散性。
圖2. 3D打印復(fù)合材料的FESEM圖片: (a) TPU/MWCNT (2wt%) 和 (b) TPU/MWCNT (2wt%)/PCA 納米復(fù)合材料; (c) TPU/MWCNT (3wt%) 和 (d) TPU/MWCNT(3wt%)/PCA 納米復(fù)合材料; (e) TPU/MWCNT (4wt%) 和 (f) TPU/MWCNT(4wt%)/PCA 納米復(fù)合材料。(a、c、e）中的紅色虛線圓圈表示團(tuán)聚顆粒。 為了深入探索TPU/MWCNT(3wt%)/PCA納米復(fù)合材料在可穿戴傳感技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用潛力，本課題組融合了高精度的3D打印技術(shù)，成功研制出高性能的TPU/MWCNT(3wt%)/PCA柔性應(yīng)變傳感器。該傳感器不僅展現(xiàn)了卓越的柔韌性與定制化潛力，還精準(zhǔn)應(yīng)用于人體多個(gè)關(guān)鍵部位的活動(dòng)監(jiān)測(cè)（圖3&4），實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體不同部位運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。研究結(jié)果表明，課題組制造的柔性應(yīng)變傳感器能夠即時(shí)且靈敏地響應(yīng)手指的彎曲動(dòng)作以及其他身體活動(dòng)，彰顯了其卓越的運(yùn)動(dòng)感知能力。尤為重要的是，傳感器在不同類型運(yùn)動(dòng)下的響應(yīng)信號(hào)表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性和辨識(shí)度，進(jìn)一步驗(yàn)證了TPU/MWCNT(3wt%)/PCA復(fù)合材料快速響應(yīng)與優(yōu)異可重復(fù)性的技術(shù)特性，凸顯了其在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面的巨大潛力。
圖3. 3D 打印TPU/MWCNT(3wt%)/PCA 柔性應(yīng)變傳感器在手指彎曲不同角度下的相對(duì)電阻變化：(a) 彎曲30°，(b) 彎曲 45°，(c) 彎曲 60°，(d) 彎曲 90°。
圖4. 3D打印TPU/MWCNT(3wt%)/PCA柔性應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測(cè)人體各種活動(dòng)下的相對(duì)電阻變化：(a) 手腕彎曲，(b) 手臂彎曲，(c) 張口和閉口，(d) 膝關(guān)節(jié)彎曲。 相關(guān)成果發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊Composites Science and Technology上（X. Luo, H. Cheng, K. Chen, L. Gu, S. Liu, X. Wu. Multi-Walled Carbon Nanotube- Enhanced Polyurethane Composite Materials and the Application in High-Performance 3D Printed Flexible Strain Sensors. Composites Science and Technology, 2024, 110818.）,上述研究成果，吳鑫副教授、顧林副教授、劉勝副教授為論文通訊作者，2022級(jí)碩士研究生羅鑫春作為論文第一作者。研究工作得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金會(huì)（2023A1515010735和2021A1515111067）和裝備預(yù)研教育部聯(lián)合基金（8091B032206）項(xiàng)目支持。 |
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