磁场辅助湿法纺丝技术制备了受竹子启发的柔性传感纤维，这种纤维具有高强度、高韧性以及优异的灵敏度

《Journal of Colloid and Interface Science》：Magnetic-field-assisted wet spinning of bamboo-inspired flexible sensing fibers with high strength–toughness and sensitivity

　　

Jixiang Zhou|Boya Hu|Yiqian Shao|Jiajing Zhong|Hang Xu|Junyan Tang|Wenye Yang|Yingang Gui|Ping-An Yang

重庆邮电大学自动化学院，重庆 400065，中国，

摘要

湿法纺丝技术在可穿戴柔性传感器领域具有显著优势，其原因在于其连续可控的制造过程、优异的机械柔韧性和与纺织品的高度兼容性。然而，传统的湿法纺丝纤维通常机械性能不足，结构可调性有限，这限制了它们在大力矩传感中的实际应用。受竹子中空和梯度多孔结构在应力分布和负载传递中的协同增强机制的启发，将磁性羰基镍粉末（NCP）引入由多壁碳纳米管（MWCNTs）组成的导电网络中。通过磁场辅助的共轴湿法纺丝策略，精确调控了导电填料的取向和空间迁移，从而构建了仿竹中空和梯度多孔结构。实验结果表明，与未施加磁场辅助的纤维相比，应变范围从138%扩展到187%，拉伸强度增加了约4.21倍（从0.42 MPa增加到1.77 MPa）。同时，灵敏度（计量因子，GF）增加了约3.80倍（从13.38增加到50.92），并且该纤维在10,000次加载循环后仍保持了优异的传感稳定性。这种性能的提升主要归功于中空和梯度多孔结构，这些结构减轻了局部应力集中并抑制了裂纹扩展，以及定向导电填料形成的稳定导电路径的协同作用。本研究成功克服了传统湿法纺丝纤维在传感性能和机械强度之间的固有 trade-off，为高强度、高灵敏度的柔性纤维传感器提供了合理的结构设计策略，拓宽了其可穿戴应用范围。

引言

随着可穿戴设备[1]、[2]、[3]、[4]的快速发展，由于其出色的适应性和延展性，柔性力敏传感器逐渐成为可穿戴技术的关键组件，能够在弯曲和拉伸等复杂变形下保持稳定的信号输出，而传统刚性传感器则无法做到这一点。根据工作原理，柔性力敏传感器可分为电阻式[5]、电容式[6]、压电式[7]和感应式[8]等类型。其中，电阻式柔性力敏传感器因其简单的操作机制、低制造成本和高设计灵活性成为研究最广泛的类型，并且在实际应用中也展现出巨大潜力。

电阻式柔性传感器通常由柔性基底和功能性传感材料组成，包括金属纳米线（如银、铁和铜纳米线）、导电聚合物（如聚苯胺和聚吡咯）以及碳基材料（如石墨烯和碳纳米管）。在这些材料中，多壁碳纳米管（MWCNTs）因高长径比、优异的导电性和机械柔韧性而在电阻式柔性传感器中得到广泛应用，即使在较低的填料负载下也能形成稳定高效的导电网络[9]。现有的柔性电阻传感架构主要采用薄膜基、分层或微结构配置来实现高应变灵敏度[10]、[11]。其中，基于水凝胶的柔性传感器由于其高度水合的三维网络，在机械模量匹配和界面顺应性方面表现优异，特别适合高精度生物界面信号采集[12]、[13]、[14]。然而，这类材料通常机械强度有限，长期稳定性不足，与纺织材料的集成性较差，限制了它们在复杂肢体运动下的连续、稳定和舒适监测应用。相比之下，基于热塑性弹性体（如TPU）的纤维传感器在机械强度、耐用性和纺织集成性方面具有明显优势，更适合在动态和复杂的运动条件下进行连续监测[15]、[16]、[17]。迄今为止，柔性纤维传感器的制造主要依赖于湿法纺丝[18]、电纺[19]和喷墨打印[20]。由于湿法纺丝具有连续成丝能力和易于掺入功能性填料的优点，已成为制造导电传感纤维的常用技术。例如，Shao等人[21]开发了一种基于共轴湿法纺丝的芯鞘CNT@Ni-CNT纤维的多功能纺织品，其计量因子（GF）高达81.58，最大断裂应变达到210%。同样，Liu等人[22]通过一步湿法纺丝工艺制备了CNTs/TPU复合纤维传感器，在优化的旋转凝固浴条件下表现出45.34的高计量因子和约200%的工作应变范围。然而，传统湿法纺丝制造的传感纤维通常尺寸较大，内部结构较密集，壁层较薄。在高填料负载或大应变条件下，这些结构特性容易引起应力集中和机械不稳定，从而对实现高韧性和结构可调性构成挑战[23]。

在自然界中，竹子等天然纤维材料具有内部中空结构和径向梯度多孔结构，能够在拉伸和弯曲变形过程中有效分散应力集中，从而实现轻量化设计与高机械稳定性的协同整合[24]、[25]。这种由层次结构调节引起的机械协同作用为高性能柔性纤维的结构设计提供了宝贵启示。然而，将仿竹结构引入湿法纺丝的连续纤维形成过程中仍然具有挑战性，因为现有的结构调节策略有限。近期研究表明，结合外部磁场的磁性颗粒可以诱导其定向排列和空间迁移，无需物理接触或中断连续加工过程，从而实现可控的微观结构重构和材料性能的有效调制[26]、[27]、[28]、[29]。例如，Chen等人[30]通过施加外部磁场诱导磁性纳米线的排列和自组装，构建了各向异性导电路径的纳米结构。Sun等人[31]提出了一种策略，利用磁性诱导多壁碳纳米管（MWCNTs）和镍（Ni）颗粒在柔性聚合物基质中自组装成各向异性结构。基于这一概念，本研究将磁场辅助的结构调节策略融入共轴湿法纺丝过程中。通过磁性颗粒的定向迁移和重新排列，在纤维内部构建了仿竹中空-梯度多孔结构，从而实现了机械性能和传感性能的协同优化。

受竹子中空和梯度多孔结构的启发，本研究系统探究了利用磁场辅助湿法纺丝制备仿竹纤维的方法。通过在外部磁场的作用下指导磁性响应填料羰基镍粉末（NCP）的取向，阐明了磁场诱导的颗粒重构如何控制内部中空和梯度多孔结构的形成。特别强调了这种仿生结构对机械强度和传感性能的协同增强作用。此外，结合形态学表征和性能评估，阐明了磁性诱导的仿生结构的形成机制。研究表明，中空结构和梯度多孔架构可以同时提升柔性纤维传感器的机械性能，并实现传感性能的协同优化。这项工作为仿生结构的设计和高性能纤维传感器的可控制造提供了理论指导和技术支持。

章节片段

材料

N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度约99.9%，密度约0.937 g·cm3）购自Aladdin Reagent Co., Ltd.（中国上海）。热塑性聚氨酯（TPU，聚醚基），由软段（聚醚多元醇）和硬段（由甲苯二异氰酸酯（MDI）和1,4-丁二醇（BDO）形成）组成，硬段含量约为30–45 wt%，数均分子量约为50–150 kDa，异氰酸酯指数约为0.95–1.05，纯度为99%

竹子横截面观察到的中空结构和径向梯度多孔结构（图1(a)）为其独特的机械性能提供了重要启示[32]。然而，在毫米级纤维中复制这种仿生结构仍然具有很大挑战性。一方面，通过共轴湿法纺丝制备包含传感层、弹性层和中空腔的三层一体化结构本身就很复杂；要实现均匀的腔体...

结论

总之，受竹子中空和径向梯度多孔结构的启发，本研究提出了一种磁场辅助的共轴湿法纺丝策略，能够在纤维内部同时构建中空和径向梯度多孔结构。这种中空-梯度多孔协同结构有效缓解了应力集中，在机械加载过程中提供了额外的变形空间，从而增强了纤维的强度-韧性协同性

Jixiang Zhou:撰写——原始草案、软件、方法学、数据分析。Boya Hu:可视化、软件、方法学、概念化。Yiqian Shao:软件、方法学、形式分析。Jiajing Zhong:验证、方法学、概念化。Hang Xu:方法学、数据分析。Junyan Tang:软件、形式分析、数据分析。Wenye Yang:软件、形式分析、数据分析。Yingang Gui:可视化、监督、资源支持，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了重庆青年创新人才计划（资助编号：CSTB2024NSCQ-QCXMX0086）、重庆市教育委员会科技研究计划（资助编号：KJZD-K202300606）和重庆市自然科学基金会创新与发展联合基金（资助编号：CSTB2024NSCQ-LZX0125）的支持。