微波辅助锚定多孔碳纳米管/热塑性聚氨酯纱线用于高耐久性可穿戴传感器的研究

针对传统可拉伸传感器导电涂层与聚合物基体界面结合力差导致的耐久性不足问题，研究人员通过微波辅助锚定技术将碳纳米管(CNTs)嵌入热塑性聚氨酯(TPU)纱线，开发出检测范围达0-200%、灵敏度(GF=1370.84)超高的应变传感器。该传感器响应/恢复时间仅250ms/260ms，经15000次循环和20次水洗后性能稳定，为智能纺织品和软机器人提供了创新解决方案。

　　

随着柔性电子技术的快速发展，可穿戴传感器在健康监测和人机交互领域展现出巨大潜力。然而，传统应变传感器中刚性导电材料与弹性基体间的弱界面结合，导致器件在反复拉伸时出现导电层剥落，严重制约其耐久性和实用性。这一瓶颈问题使得现有传感器难以满足智能手套、运动监测设备等需要承受每日数千次弯曲的高频应用需求。

针对这一挑战，山东大学的研究团队创新性地将微波焊接技术引入可穿戴传感器制造领域，开发出具有微裂纹结构的微波辅助锚定碳纳米管/热塑性聚氨酯(CNTs/TPU)纱线传感器。该研究通过湿法纺丝和预拉伸技术构建多孔TPU纱线基底，利用碳纳米管优异的微波热效应，在电磁场作用下使其熔融嵌入聚合物基质，显著提升了界面结合强度。相关成果发表于《Materials Today Chemistry》，为解决可穿戴电子器件的耐久性难题提供了新思路。

研究采用三大关键技术：湿法纺丝制备TPU纱线基底，预拉伸诱导微裂纹结构形成，以及微波辐射实现CNTs在TPU表面的热锚定。通过优化工艺参数，研究人员成功构建了具有分级导电网络的敏感层，其独特的微裂纹结构在拉伸时会可控地断开和重建导电通路。

材料制备与表征
通过扫描电镜观察到微波处理后CNTs深度嵌入TPU基体形成互锁结构，X射线光电子能谱证实界面处形成新的化学键。与未处理样品相比，锚定样品的界面结合能提升3倍以上，这为传感器的超常耐久性奠定了材料基础。

传感性能测试
传感器展现出0-200%的宽检测范围，在50-100%应变区间的灵敏度(GF)高达1370.84，远超同类报道。动态测试显示其响应/恢复时间分别仅为250ms和260ms，能够准确捕捉从脉搏(0.1Hz)到剧烈运动(5Hz)的全频段生理信号。

耐久性验证
经过15000次拉伸循环后，微波锚定传感器的电阻变化率保持在5%以内，耐久性比传统涂层样品提升10倍。水洗测试表明，即使经过20次标准洗涤，传感器仍保持90%以上的初始灵敏度，这得益于CNTs的牢固锚定和TPU的疏水特性。

实际应用演示
研究团队将传感器集成到纺织品中，成功实现了对关节运动、呼吸模式和语音振动的实时监测。特别值得注意的是，该传感器在水下环境中仍能稳定工作，为潜水监测和水生机器人提供了新的技术选项。

这项研究的突破性在于将工业级微波焊接技术创造性应用于微纳尺度界面工程，通过物理锚定和化学键合的双重机制，解决了柔性电子器件中导电材料与弹性基体界面失效的核心难题。所开发的传感器兼具高灵敏度、快速响应和超常耐久性，其简易、可扩展的制造工艺更符合工业化生产需求。该工作不仅为下一代智能纺织品提供了关键材料支撑，其微波辅助界面强化策略还可推广至其他柔性电子系统，对推动可穿戴技术从实验室走向实际应用具有重要指导意义。