用于高性能柔性应变传感器和可穿戴监测应用的多层S-SEBS/TPU/MXene复合薄膜

《Diamond and Related Materials》：Multilayer S-SEBS/TPU/MXene composite films for high performance flexible strain sensors and wearable monitoring applications

　　

• SEBS的磺化改性可提高其导电性及其与TPU的相容性。
• 结合涂覆和静电纺丝技术制备了一种多层S-SEBS/TPU/MXene复合薄膜。
• 该传感器可实现对应变、压力及不同重量的灵敏检测，并响应迅速。
• 传感器的应变范围为0-270%，最大应变因子为2.99。
• 该器件的响应/恢复时间分别为317/220 ms，具有优异的循环稳定性（超过200次循环），并实现了多模式信号检测。

**引言**

随着公众健康意识的不断提高和个性化健康管理需求的日益增长，可穿戴传感技术已成为连接人体生理信号与数字信息世界的关键桥梁，并进入了快速发展的黄金阶段[1]。这些传感器克服了传统检测技术的缺点，能够在人们进行日常活动和运动时持续实时地采集机械信号和生理数据。它们在运动功能评估、疲劳预警、运动损伤预防和远程健康监测等领域展现出不可替代的应用价值[2]，[3]，[4]。尤其是在动态且复杂的实际应用环境中，实现舒适佩戴、稳定运行与精准监测的协同统一，已成为提升用户体验和系统可靠性的核心需求，也是推动可穿戴技术大规模应用的关键前提[5]，[6]，[7]，[8]。

然而，基于刚性电子元件（如心率监测器、加速度计等）的传统传感设备，与人体柔软且可弯曲变形的曲面之间存在固有的力学模量失配问题。长期佩戴容易引发不适感，且此类设备很难适应人体的动态变形，这极大地限制了其在柔性可穿戴领域的应用和推广[9]，[10]。因此，开发具有优异柔性[11]、高拉伸性[12]、可靠传感性能[13]，[14]和卓越佩戴舒适度[15]的新型柔性应变传感器，已成为学术界和工程界广泛关注的关键研究方向和技术挑战[16]，[17]，[18]，[19]。

在各种柔性传感机制中，电阻式应变传感器因其结构简单、信号读取便捷、抗干扰能力强，且能够同时对静态和动态应变作出响应，已成为最广泛采用的技术路线之一[20]。其核心性能依赖于机械变形到电阻变化的高效稳定转换。相关研究主要围绕两个关键维度展开：其一是柔性基底材料的选择与优化，优先采用弹性和耐久性良好的高分子材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）[21]、Ecoflex[22]和热塑性聚氨酯（TPU）[23]，[24]；其二是引入高导电功能性填料，通过碳纳米管[25]，[26]、石墨烯[27]，[28]、金属纳米线[29]和二维MXene材料[30]，[31]构建灵敏的导电网络。

尽管现有研究已取得一定进展，但单一材料体系往往难以同时满足快速响应、高灵敏度、宽应变范围和良好循环稳定性等多项性能指标。例如，TPU具有优异的拉伸性和生物相容性，但其固有的绝缘性质需要借助导电填料构建有效的导电通路[32]。MXene虽具有出色的本征电导率和丰富的表面官能团，但其在聚合物基体中的分散性不足、界面粘附力弱，且长期稳定性欠佳[33]。近年来基于MXene的传感材料研究进一步表明，异质结构构建和界面工程是解决上述局限性的有效途径。通过合理设计基于MXene的复合异质结构，可以对界面电荷传输行为进行精准调控，并优化机械变形下导电网络的演化过程，从而显著提升传感灵敏度并扩展检测范围[34]，[35]。同时，针对性的界面工程策略可有效增强MXene纳米片与聚合物基体之间的界面粘附力，抑制导电填料在长期循环载荷下的剥离及由此导致的性能衰减，从而提高柔性传感器件的工作稳定性[36]，[37]。因此，通过材料改性和多层结构设计实现综合性能的协同提升，被视为突破现有技术瓶颈的有效策略。

值得注意的是，热塑性聚氨酯（TPU）因其独特且卓越的物理化学特性，在柔性传感应用中脱颖而出[38]，[39]。该材料不仅具有优异的机械性能，能够在承受各种外力时不易变形或损坏，而且对水、油及低温等恶劣环境具有高度耐受性。在极端条件下，它仍能保持固有的性能和稳定性，从而大大扩展了传感器的应用范围[40]。同时，TPU出色的柔性、透气性和舒适的触感进一步提升了佩戴体验，为多功能传感器的发展提供了优质基础[41]，[42]，[43]。

现有研究已充分验证了TPU基复合材料的应用潜力。据报道，Qu课题组[44]通过溶液浇铸结合砂纸模板，制备了具有互补砂纸状表面特征的TPU/CNTs-ILs离子凝胶。经乙酰三甲氧基硅烷功能化纳米粒子改性后，获得了疏水性柔性传感器。该器件具有多模态传感性能，能够在极端环境下精确检测压力（0.1-1 kPa）、应变（0-150%）和温度（30-100°C）信号，适用于人体运动监测、信息传输、手写识别及水下活动监测等场景。Liu等人[45]利用静电作用将MXene纳米片沉积在经壳聚糖改性的电纺TPU纳米纤维上。基于水分子调节MXene纳米片层间距从而改变隧穿电阻的机理，所制备的MXene/TPU复合薄膜作为湿度传感器展现出出色的传感性能，响应时间仅为12 s，相对湿度检测范围宽达11%-94% RH，同时具有低迟滞和良好重复性。此外，该传感器可集成于口罩中，用于识别呼吸模式并追踪各种运动过程中的呼吸信号。Wu等人[46]通过静电纺丝技术构建了三维TPU纤维网络骨架。通过沉积银纳米粒子制备的多功能传感器兼具高灵敏度和良好柔性，响应/恢复时间极短，仅为21 ms/43 ms，电导率高达4600 S/m，超高应变因子为9.52×10?，且工作范围宽。其透气量为人体皮肤的4倍，同时表现出优异的抗菌性能。

在柔性传感器的基底材料体系中，苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）也凭借其优异的柔性、机械稳定性和生物相容性而成为一种极具前景的柔性基质材料[47]。然而，SEBS具有对称的分子结构和稳定的化学键能，本质上是绝缘的。因此，它无法直接用作传感层或导电通路的载体，这严重限制了其在柔性应变传感器中的直接应用。相应地，对SEBS进行功能化改性以赋予其导电性，已成为突破其应用局限的关键途径[48]。作为一种高效可控的聚合物功能化策略，磺化改性可定向地将极性磺酸基团引入SEBS分子链上。在不破坏其原始柔性骨架和机械稳定性的前提下，该改性赋予材料显著的离子传导能力和本征导电特性，使绝缘聚合物转变为具有一定导电性的功能化基体。同时，磺酸基团的引入可显著提高SEBS的表面极性，改善其与TPU等极性高分子材料之间的界面相容性和粘结强度。磺化SEBS（S-SEBS）与TPU的结合，实现了两种柔性材料的优势互补：SEBS骨架提供了优异的延展性、弹性和结构稳定性，而TPU则进一步提升了体系的机械强度、抗疲劳性和环境适应性。得益于良好的界面相互作用，两种组分在机械性能上实现了协同增强，使复合材料在大应变和反复循环变形下仍能保持结构完整性和导电通路的连通性[49]。因此，磺化SEBS不仅获得了柔性传感器所需的导电基础，而且与TPU共混后形成了综合性能优异的复合体系，同时实现了高柔性、卓越稳定性和良好导电性，有效提高了传感器在动态变形下的响应稳定性和使用寿命。这为高性能柔性应变传感器的设计与制造提供了重要的材料支撑[50]。

鉴于现有技术瓶颈和应用需求，本研究提出了一种材料改性-多尺度结构调控-界面优化的协同创新策略，并构建了一种三明治结构的新型多层复合薄膜传感器。以磺化改性SEBS（S-SEBS）作为致密底层，赋予体系本征电导率和良好的机械支撑。中间层由电纺多孔TPU/MXene复合纤维组成，承担应力缓冲、应变传递和锚固增强功能。顶层为连续MXene导电功能层，以实现高灵敏度应变响应。该三层复合体系充分整合了各组分的优势，有望突破单一材料的性能局限。本研究旨在为新一代高性能、多功能、佩戴舒适的柔性应变传感器提供新型材料体系和结构设计策略，并进一步推动其在人体运动监测、人机交互、智能医疗等领域的实际应用[51]，[52]，[53]。

**研究摘要片段**

**材料**

试剂和原材料来源如下。麦克林生化科技有限公司提供了二氯甲烷（DCM）和四氢呋喃（THF）。阿拉丁科技公司提供了醋酸酐（Ac?O）、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）和氢氧化钾（KOH）。浓硫酸、浓盐酸、二甲基亚砜（DMSO）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）购自阿拉丁试剂有限公司。氟化锂（LiF）和……

**S-SEBS的表征**

图2展示了纯SEBS和磺化S-SEBS的FTIR谱图，清晰揭示了随磺化度增加特征峰的变化。698 cm?1处的吸收峰对应于芳环CH的异面弯曲振动。该峰强度明显降低，证明磺化反应对该振动模式产生了显著影响。同时，754 cm?1处单取代芳环CH的异面振动峰逐渐减弱。

**结论**

本工作制备了由S-SEBS/TPU/MXene组成的多层复合薄膜，并将其进一步组装为柔性应变传感器。首先，通过不同取代度的磺化反应对SEBS进行改性。通过1H NMR计算磺化度，结果表明磺化度随磺化试剂用量的增加而逐步提高。TG和DSC分析表明，磺化SEBS的热稳定性略有增强。

**CRediT作者贡献声明**

Yingpeng Wang：撰写——初稿，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。
Sixian Chen：撰写——初稿，调查研究，形式化分析，数据管理。
Yanzhen Wu：撰写——初稿，形式化分析，数据管理。
Rui Ding：形式化分析，数据管理。
Qisong Shi：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，数据管理。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

大学生创新创业训练计划项目（URT项目）（编号：2026J00018）。

Yingpeng Wang | Sixian Chen | Yanzhen Wu | Rui Ding | Qisong Shi