Zr4+/Al3+配位阻燃水性聚氨酯/胶原纤维柔性传感材料，用于极端环境下的姿态监测及机器人传感皮肤

《Sensors and Actuators A: Physical》：Zr4+/Al3+ coordination flame-retardant waterborne polyurethane/collagen fiber flexible sensing material for posture monitoring and robotic sensory skin in extreme environments

基于胶原蛋白纤维与阻燃聚氨酯复合的柔性传感材料研究，采用Zr??/Al3?金属离子交联技术构建多级网络结构，实现0.69 kPa?1的高灵敏度、1.81-130.66 kPa宽检测范围及12000次循环稳定性，并具备LOI 25.17%的阻燃性能，可在-40℃至85℃及宽pH范围内稳定工作，为极端环境智能皮肤开发提供新方案。

　　本文探讨了一种新型柔性传感材料（PCM）的开发，该材料基于天然聚合物和金属离子配位交联技术，旨在解决传统柔性传感器在极端环境下的性能稳定性问题。柔性传感器因其在人类活动监测、医疗健康、电子皮肤等领域的广泛应用而备受关注。然而，现有材料在面对高温、低温、强酸、强碱等恶劣条件时，往往表现出较差的耐久性和灵敏度。本文提出了一种结合生物基材料与先进交联策略的方法，不仅提高了材料的机械性能，还增强了其在复杂环境中的适应性。

研究团队选择从皮革废料中提取的胶原纤维作为基础结构单元，因其天然的三维网络结构、丰富的官能团以及良好的生物相容性和可降解性，被认为在柔性传感材料中具有显著优势。同时，为了增强材料的导电性和机械稳定性，研究引入了羧基化多壁碳纳米管（HOOC-MWCNTs）作为导电结构单元。此外，通过引入含磷的水性聚氨酯（P-WPU），不仅提升了材料的粘附力和抗撕裂性，还显著增强了其阻燃性能。Zr??和Al3?作为过渡金属离子，通过配位作用将胶原纤维、碳纳米管和P-WPU连接在一起，形成稳定的多级网络结构。

实验结果显示，这种新型材料在广泛的检测范围内（1.81-130.66 kPa）表现出良好的压力灵敏度（0.69 kPa?1），响应和恢复时间分别达到100毫秒，具有超过12,000次循环的卓越动态稳定性。在燃烧测试中，PCM的极限氧指数（LOI）达到25.17%，表明其具备出色的阻燃特性。同时，在模拟极端环境中测试，该材料在-40℃至85℃的温度范围以及pH值从1到13的酸碱条件下均保持了良好的性能，显示出极强的环境适应能力。

该材料的应用前景十分广阔，不仅可以用于日常的运动捕捉，还能够作为智能皮肤应用于机器人技术，使机器人能够在人类难以到达的恶劣环境中执行搜索与救援、信息采集等任务。这一研究不仅为柔性传感器的发展提供了一种新的思路，也为极端环境下的传感技术开辟了新的方向。通过将天然材料与现代材料科学相结合，本文提出了一种环保、可持续的材料制备方法，为未来智能设备的设计和应用提供了重要的理论支持和技术基础。

在材料制备方面，研究采用了一种湿法成型技术，将胶原纤维与P-WPU进行复合，构建出具有均匀渗透结构的柔性传感材料。这种方法不仅简化了材料的合成过程，还确保了各组分之间的良好结合。同时，金属离子的引入使得材料在结构上更加稳固，提升了其在动态应力下的机械性能。这种多级网络结构的设计，使得PCM在保持高灵敏度的同时，具备了良好的机械强度和环境稳定性。

研究还发现，Zr??和Al3?的配位作用对材料的导电性和阻燃性产生了重要影响。通过X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，可以确认金属离子与材料组分之间的相互作用。这种配位机制不仅增强了导电材料与柔性基材之间的兼容性，还通过电子的定向转移路径，形成了稳定的三维导电网络。这一发现为理解材料的导电行为提供了新的视角，并有助于进一步优化材料的性能。

此外，研究还强调了可持续发展的重要性。传统柔性传感器材料多为合成聚合物，这些材料往往难以降解，对环境造成负担。而本文所采用的胶原纤维来自皮革废料，不仅减少了工业废弃物，还实现了资源的高效利用。P-WPU作为一种水性材料，其制备过程更加环保，避免了有害溶剂的使用。这种基于天然材料的制备方法，符合当前绿色制造和可持续发展的趋势，为未来的材料研发提供了重要的参考价值。

在实际应用中，PCM材料的优异性能使其在多个领域展现出巨大的潜力。例如，在医疗健康领域，它可以用于监测人体运动和生理信号，为智能可穿戴设备提供支持。在工业自动化中，该材料可以用于制造耐极端环境的传感器，提高设备在复杂条件下的运行可靠性。在机器人技术中，PCM材料作为智能皮肤，可以增强机器人在高温、低温、酸碱等环境中的适应能力，拓展其应用范围。这种多功能性使得PCM材料成为一种极具前景的新型传感材料。

研究团队在实验过程中还对材料的制备工艺进行了优化，以确保其在不同条件下的稳定性和一致性。例如，通过调整金属离子的浓度和配位时间，可以有效控制材料的导电性和机械性能。此外，研究还探讨了不同环境因素对材料性能的影响，如温度、湿度、pH值等，从而为材料的实际应用提供了理论依据和实验支持。这些研究结果表明，PCM材料在极端环境下的表现优于传统材料，具有广泛的应用前景。

从材料科学的角度来看，本文的研究为天然聚合物的改性和应用提供了新的思路。通过引入金属离子配位交联技术，研究成功地将天然材料的生物相容性和可降解性与合成材料的机械强度和导电性相结合，形成了一种具有综合性能的新型材料。这种材料的制备方法不仅提高了材料的性能，还降低了对环境的影响，符合现代材料科学的发展方向。同时，该研究还为其他类似材料的开发提供了参考，推动了生物基材料在电子和传感领域的应用。

在实际应用中，PCM材料的性能优势使其能够满足多种复杂场景的需求。例如，在高温环境下，传统材料容易发生热降解，而PCM材料通过引入含磷的P-WPU，有效提高了其热稳定性。在低温条件下，材料的柔韧性和导电性可能会受到影响，但PCM材料通过合理的结构设计，确保了其在极端温度下的性能稳定。在强酸或强碱环境中，材料的化学稳定性至关重要，而P-WPU的稳定化学性质和金属离子的配位作用共同保障了PCM材料在这些条件下的长期使用。

本文的研究成果不仅在材料性能上有所突破，还在环境保护和资源循环利用方面具有重要意义。通过将皮革废料转化为高价值的传感材料，研究实现了废弃物的再利用，减少了资源浪费。同时，使用水性聚氨酯替代传统的溶剂型材料，降低了生产过程中的环境污染。这种环保型材料的开发，为未来的可持续制造提供了新的解决方案。

总的来说，本文提出了一种基于天然材料和金属离子配位交联的新型柔性传感材料，其在压力敏感性、响应速度、循环稳定性以及阻燃性等方面均表现出色。该材料不仅适用于常规的传感应用场景，还能够在极端环境下保持良好的性能，展现出广阔的应用前景。研究团队通过系统的实验设计和材料优化，为柔性传感器的发展提供了重要的理论和技术支持，同时也为生物基材料的工程化应用开辟了新的路径。这一研究对于推动智能传感技术的进步和促进可持续材料的发展具有重要的意义。