通过共轭电纺技术和深度沉积法制备的具有互穿3D MXene网络的纳米纤维纱线应变传感器

《Materials Today Physics》：Nanofiber Yarn Strain Sensor with Interpenetrating 3D MXene Network via Conjugated Electrospinning and Deep Deposition

柔性应变传感器通过深沉积策略构建PA/PVA纳米纤维纱线，实现内部三维导电网络，结合刺绣集成技术提升机械稳定性和导电均匀性，成功监测多关节运动。

　　

Binghui Wang|Zhiye Qiu|Yuxin Wei|Mengzheng Wang|Tianming Lu|Liuxie Huang|Qiaoqing Hu|Jindan Wu

浙江科技大学生物基纤维材料国家重点实验室，中国杭州310018

摘要：

随着人机交互和智能健康监测需求的增长，一维柔性应变传感器因其优异的柔韧性和与纺织材料的兼容性而受到广泛关注。然而，基于表面导电涂层的传统传感器通常存在界面粘附性差、环境稳定性不足以及响应动态缓慢等问题。为了解决这些问题，本研究提出了一种“深度沉积”策略，通过共轭静电纺丝技术制备了具有内部三维互连导电网络的聚酰胺/聚乙烯醇（PA/PVA）纳米纤维纱线（MPPY）。通过精确调节PA/PVA的流量比，可以控制纱线的组成和孔隙率，而PVA的亲水性有助于MXene纳米片在整个横截面中的均匀分布。后续的加捻和层压进一步增强了纱线的机械强度和导电均匀性，最终将这些纱线嵌入弹性织物中，并通过刺绣实现可定制的图案化。所制备的纱线表现出超快的响应时间（10%应变时为58 ± 2毫秒），并在多种应变范围内表现出显著的灵敏度：0–50%应变时的灵敏度系数为1.82，50–80%应变时为9.71，100%应变时为22.93，且整个范围内的相关系数（R²）均高于0.98。这种集成纱线的纺织品具有出色的耐用性，能够承受超过6000次50%应变的拉伸-释放循环，同时具有优异的洗涤性能和抗人工汗液腐蚀的能力。通过实现不同的图案配置（例如直线和蛇形线），该织物传感器能够实时精确地监测多个关节的运动，包括颈部、手腕、脊柱和膝盖的运动。本研究为下一代可穿戴电子纺织品提供了一种新的设计途径，具有高可靠性、快速响应和实用的多功能性。

引言

随着人机交互和智能医疗保健技术的快速发展，能够实时感知人体运动和生理信号的电应变传感器已成为连接物理世界与数字信息的关键桥梁[1]，[2]。这些传感器将外部机械刺激（如拉伸、弯曲或微压力）转换为可测量的电信号，包括电阻、电容或电压的变化，从而实现动态生理过程（如关节运动、呼吸频率和脉搏波形）的高灵敏度连续监测[3]，[4]。 近年来，由于其出色的机械适应性和传感性能，柔性应变传感器在电子皮肤、智能可穿戴设备和软体机器人等领域受到了广泛关注[1]，[5]。与难以适应皮肤或关节等动态表面的传统刚性传感器不同，柔性应变传感器利用可拉伸、可弯曲和可扭转的变形基底，即使在复杂表面和大应变条件下也能实现稳定可靠的运行[3]，[6]。 基于二维（2D）聚合物薄膜或导电涂层织物的传统柔性应变传感器[7]，以及三维（3D）凝胶或泡沫[8]，通常存在透气性差、易脱水以及集成困难等固有缺陷，导致佩戴舒适度不佳和适用场景受限[9]。相比之下，一维（1D）纱线或纤维基底由于其固有的柔韧性、出色的纺织集成潜力和优异的佩戴舒适性，越来越被视为下一代柔性应变传感器的理想平台[10]，[11]。 然而，基于纱线的传感器仍面临一些固有限制。首先，导电传感层通常暴露在表面，容易在反复摩擦、洗涤或汗液侵蚀下发生分层和性能下降[12]。其次，传统微米级纤维基底的密集结构限制了导电材料从表面向内部的深入渗透。因此，传感机制主要依赖于表面裂纹的几何变形，这不仅限制了响应速度，还阻碍了超快信号传输的实现[13]。为了解决这些问题，研究人员开发了多种策略。例如，Duan等人[14]使用共轭静电纺丝技术在聚氨酯（PU）芯上制备了聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）（SBS）纳米纤维的三维微通道，然后通过浸涂含银的导电液态金属（LM/Ag）制备了稳定的SBS/LM/Ag-SBS（SLMAS）导电纱线。将导电颗粒封装在纤维内部也有助于防止其在长时间机械变形过程中的脱落，从而减少电信号漂移。然而，芯-鞘结构中的固有界面不匹配在应力-应变循环中会不断放大[9]，[15]。 为了克服上述挑战，具有内部三维互连导电网络的纳米纤维纱线成为理想的1D柔性传感器基底。这种纱线结构充分利用了静电纺丝纳米纤维的固有优势，如高孔隙率、结构均匀性和强可调性，便于加载纳米级导电材料，适用于传感器和能源设备[16]。Ali等人[17]开发了一种使用相对双喷嘴和漏斗收集器的方法，通过高速旋转漏斗（最高7,400转/分钟）直接从锥尖抽取纳米纤维纱线。尽管这种方法产量高且操作简单，但在实现持续连续生产方面仍存在挑战。

漏斗的旋转速度是静电纺丝过程中实现纤维加捻和连续收集的关键参数。加捻张力不足会导致拉拔力低，从而频繁出现纱线断裂[18]。文献中报道的典型加捻速度范围为250至1250转/分钟。随着旋转速度的增加，纱线内的纤维扭转角度增大，纤维堆积更加紧密，拉伸强度显著提高。然而，过度的加捻会引入另一个问题：纱线结构变得过于紧密，从而阻碍了导电材料的深入沉积。因此，制造兼具高机械强度和深层导电材料加载的纳米纤维纱线仍然是一个重大挑战。

在这项工作中，我们通过共轭静电纺丝技术协同整合了聚酰胺（PA）和聚乙烯醇（PVA），成功制备了纳米纤维纱线（PPY）。借鉴Lei等人[19]报道的双喷嘴相对静电纺丝系统，将两个喷嘴分别连接到正负高压上，并在它们之间放置一个旋转的漏斗收集器。通过精确调节纳米纤维锥的厚度梯度，有效保持了拉拔张力，从而实现了从收集盘连续提取和加捻新生纳米纤维。这一策略克服了由于拉拔张力不足导致的连续无芯纳米纤维纱线制备难题，最终得到了内部结构疏松的纳米纤维纱线。这种独特结构显著降低了密集基底对导电材料渗透的典型阻力[20]。同时，PA成分的加入解决了松散纱线结构的机械限制，提高了断裂强度。

除了纱线的物理结构外，其润湿性也是决定导电材料加载能力的关键因素。利用PVA组分的优异亲水性和毛细效应，MXene水悬浮液能够深入渗透到纱线内部。这一过程促进了导电网络从表面物理吸附向整体结构整合的根本转变，得到了MXene深度浸渍的导电纳米纤维纱线（MPPY）。这种互连的导电网络有望提供耐表面磨损的稳定电通路，从而确保在机械磨损条件下的稳定信号输出[21]，[22]。加捻后，这些纱线通过刺绣技术进一步集成到弹性绷带中，实现了对人体关节运动的精确和长期监测。这项工作为开发具有高可靠性和快速响应特性的下一代可穿戴电子纺织品提供了一种创新的设计策略[23]。

材料

聚酰胺（PA，分子量约20,000-40,000），六氟异丙醇（HFIP，纯度≥99.5%），戊二醛（GA，溶于H₂O中浓度为50%），碳化钛铝（Ti₃AlC₂ MAX相，纯度≥98%），氟化锂（LiF，纯度≥99%），盐酸（HCl，分析纯），抗坏血酸钠（SA，纯度≥99%）均购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（上海，中国）。聚乙烯醇（PVA，分子量约90,000-120,000），醇解度为87.0–89.0摩尔%，以及无水氯化钙（CaCl₂，纯度≥96%）均购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，

MPPY集成纺织品的设计原理

如图1所示，纳米纤维框架由两种互补的聚合物PA和PVA构成。PA提供了坚固的机械骨架，确保结构完整性，而PVA则赋予了亲水性和丰富的表面活性位点，便于后续的功能化[28]，[29]。这两种类型的纳米纤维形成了互穿和缠结的网络，形成了无中心纤维的纱线结构。

纱线的制备使用了

结论

本研究提出了一种基于1D纳米纤维纱线的柔性应变传感器，该纱线通过深度MXene沉积策略制备而成。通过共轭静电纺丝技术制备的无芯PA/PVA纳米纤维纱线有效规避了传统芯-鞘结构中的界面不兼容性问题，形成了高孔隙率的三维支架。通过调节PVA的含量来调节亲水性，实现了MXene在整个纱线支架中的均匀分布。

CRediT作者贡献声明

Liuxie Huang：验证工作。Tianming Lu：形式分析。Qiaoqing Hu：撰写、审稿与编辑、资源管理、项目协调。Zhiye Qiu：实验研究、数据管理。Binghui Wang：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据管理。Mengzheng Wang：数据管理。Yuxin Wei：实验研究、形式分析。Jindan Wu：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金获取、概念构思

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（LZY24H150002）的资助。