离子液体/热塑性聚氨酯复合材料中埃洛石纳米管自组装构建柔性传感器的研究

本研究针对离子凝胶在柔性传感器应用中机械性能与导电性难以平衡的关键问题，创新性地采用蒸汽诱导相分离和自组装策略，将离子液体(IL)修饰的埃洛石纳米管(HNT)引入热塑性聚氨酯(TPU)基质，开发出具有有序离子传输通道的TPU@IL@HNT传感器。该传感器展现出高灵敏度(GF=14.64)、快速响应(400 ms)和优异循环稳定性(2000次)，为可穿戴设备提供了性能优异的传感单元，解决了传统传感器无法兼顾高拉伸性与导电性的行业难题。

　　

随着柔性电子技术向商业化快速推进，传统传感器无法弯曲拉伸的缺陷日益凸显。离子凝胶虽具有优异的离子导电性和热稳定性，但高含量离子液体会导致机械性能急剧下降，而受限的离子传输又使其导电性比纯离子液体低两个数量级——这个"鱼与熊掌"的困境严重制约了柔性传感器的发展。

中国某研究机构的研究团队从自然界获得灵感，创新性地将陶瓷材料埃洛石纳米管(HNT)与离子液体(IL)、热塑性聚氨酯(TPU)结合，通过巧妙的相分离控制和自组装策略，开发出兼具优异机械性能和导电性的TPU@IL@HNT离子凝胶传感器。这项突破性研究发表在《Polymer Testing》上，为可穿戴电子设备提供了全新的解决方案。

研究人员采用蒸汽诱导相分离和剪切诱导取向技术，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、动态机械分析(DMA)、扫描电镜(SEM)等多维度表征手段，系统研究了材料的微观结构、热力学性能和机电响应特性。特别创新的是利用HNT内外表面不同的电荷特性，使离子液体的阳离子(BMIM⁺)和阴离子(PF₆^-)分别自组装在纳米管内外侧，形成有序离子传输通道。

3.1 离子凝胶设计
通过剪切力诱导HNT定向排列，形成高度有序的纳米结构。TEM显示剪切处理后HNT排列整齐度显著提升，EDS图谱证实IL和HNT在TPU基质中均匀分布。这种特殊结构使材料同时具备优异的柔韧性（可打结、扭曲）和高达300%的拉伸性。

3.2 热学性能
FTIR证实IL与HNT管腔内的-OH基团形成氢键。DMA显示添加20wt%HNT使储能模量提升至17.81MPa，TGA表明材料在180°C以下保持稳定。DSC曲线显示HNT的异相成核作用使结晶温度升高，赋予材料良好的形状记忆效应。

3.3 微观结构
SEM显示剪切处理后材料断面更均匀，HNT聚集现象消失。TEM直接观察到HNT内外表面被IL完全填充，剪切处理后形成高度取向的纳米通道，为离子传输提供"高速公路"。POM证实剪切处理诱导产生液晶行为，这种有序结构被非共价相互作用稳定。

3.4 机械性能
剪切处理的TPU@IL₂@HNT_0.2断裂强度达8.04MPa，断裂能592.48J/m²，远超天然橡胶。流变测试显示G'始终高于G''，证明材料具有稳定的凝胶网络结构。介电测试发现IL的加入显著提高介电常数，Cole-Cole图显示微相分离导致弛豫时间分布加宽。

3.5 传感性能
剪切处理的样品展现出最优异的性能：离子电导率0.880S/m，应变系数GF达14.64。在0-300%应变范围内呈现线性响应，响应/恢复时间均为400ms。经过25小时连续测试(5625次循环)，信号漂移仅4.76%，10个月后仍保持初始性能的90%以上。

3.6 人体运动监测
该传感器可精准识别从微表情（皱眉）到大关节运动（膝关节弯曲）的各种人体活动。特别在语音识别方面，当贴在喉部时能清晰区分"Hi"的发音特征，展现出在康复训练和人机交互中的应用潜力。

这项研究通过巧妙的材料设计和创新的制备工艺，成功解决了离子凝胶机械性能与导电性难以兼顾的行业难题。TPU的刚性区域提供强度，柔性区域保证拉伸性，而HNT的自组装结构则构建了高效的离子传输通道。相比现有技术，该传感器在灵敏度、响应速度和稳定性方面都有显著提升，为下一代可穿戴设备的发展提供了新的材料基础。特别值得注意的是，这种基于天然纳米材料的解决方案不仅性能优异，还具有成本优势和环境友好特性，为柔性电子的大规模商业化应用开辟了新途径。