具有复合涂层的多功能可穿戴织物设计，可实现防水与应变感知功能

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Design of a Multifunctional Wearable Fabric with a Composite Coating for Waterproof and Strain Sensing Functions

　　

摘要

基于柔性可穿戴织物的应变传感器在人体运动监测和医疗保健领域备受关注；然而，其在潮湿环境中的性能下降以及在循环机械载荷作用下的耐用性不足，严重限制了其实际应用。本文我们提出了一种多功能可穿戴织物，该织物采用具有分层结构的复合涂层，通过简单的浸涂-喷涂复合涂层工艺，同时实现了出色的应变感知性能和优异的超疏水性能。由于内部MXene与外部氟化Fe₃O₄/MWCNTs（F-Fe₃O₄/MWCNTs）的协同作用，这种织物具有宽广的应变响应范围（高达200%的应变），并且凭借超疏水表面具备出色的防水功能。重要的是，作为复合涂层连续相的共聚物大大增强了涂层与弹性织物骨架之间的界面结合力，从而使得该织物具有出色的长期耐用性，在3,600次循环拉伸/释放测试（50%应变）后仍能保持稳定的电学响应，即使在100%的拉伸变形下也能保持防水功能。这项工作为制造出具有宽范围传感能力和强环境适应性的耐用高性能柔性应变传感器提供了新方法，解决了长期以来阻碍可穿戴电子织物从实验室原型走向实际应用的难题。

引言

近年来，具身人工智能在智能制造、智能家居、智能医疗和智能服务等多个领域发挥了重要作用[1]、[2]、[3]。由于其能够实时感知并响应动态环境刺激，因此可实现人机无缝协作、自适应运动控制以及情境感知决策[4]、[5]、[6]、[7]。柔性可穿戴应变传感器作为连接物理世界与智能系统的关键接口，可将生物力学信号（如关节运动、肌肉收缩和身体变形）转化为可处理的电学数据，以便进一步分析与反馈[8]、[9]、[10]。

在各种应变传感器中，基于织物的传感器能够在保持与弯曲皮肤表面紧密接触的同时承受较大变形，从而实现连续且舒适的生理信号采集[11]、[12]。此外，织物本身具有出色的透气性、柔韧性和机械顺应性，可轻松集成到日常服装中，因此受到了广泛关注[13]、[14]、[15]。通过涂层、印刷或编织技术将导电功能材料（如碳纳米管、石墨烯、MXene、金属纳米颗粒和导电聚合物）与弹性织物基底相结合，这些传感器能够将机械变形转化为电阻变化[16]、[17]、[18]。因此，将其集成到日常服装中，可实现连续、无创的人体运动监测、健康评估以及人机交互[19]、[20]。例如，刘等人[21]通过在棉织物上覆盖二维MXene纳米片，制造出了高性能可穿戴应变传感器。该传感器具有4.11的增益因子，工作应变范围可达15%，最小可检测应变率为0.3%，能够监测人体各种运动（包括大范围和微小变形运动）。曲等人[22]则通过将MXene与一维银纳米线结合，再将混合物涂覆在无纺布上，制造出了应变传感器。这种AgNWs/MXene/无纺布传感器具有极高的增益因子，达1085，最大可检测应变率为100%。

然而，大多数这类传感器都是为干燥环境设计的，一旦接触到汗液、雨水、高湿度环境，甚至水浸，其性能就会严重下降甚至损坏[23]、[24]。在现实场景中，可穿戴传感器不可避免地会在剧烈体力活动时接触到汗液，户外环境中会遇到雨水，而在游泳和水下作业等水上活动中则可能面临水浸[25]、[26]。湿气及腐蚀性液体可能会渗透进导电网络，导致电导率下降、信号漂移、短路，最终使设备失效[27]、[28]。为了解决这一问题，人们在基于织物的应变传感器上构建超疏水表面被视为一项有效策略[29]、[30]。受莲花效应的启发，超疏水表面能够有效排斥水滴，防止液体渗透，从而保护内部的导电网络免受损伤[31]、[32]。低表面能材料（如氟化化合物、硅烷或聚二甲基硅氧烷）与分层微纳粗糙结构的结合，使得传感器表面能够保持卡西-巴克斯特润湿状态，即液体与固体表面之间会形成空气层，从而具备出色的防水性和自清洁能力[33]、[34]、[35]。例如，张等人[36]通过简单的浸涂法，结合原位单宁酸聚合诱导的表面粗糙化处理以及十八烷胺功能化处理，制造出了具有超疏水性和导电性的棉织物，该织物具有出色的柔韧性、透气性以及环境适应性，甚至能够在水下精确检测各种人体运动。此外，严等人[37]还提出了一种基于棉织物的新型压阻传感器，该传感器采用辊涂技术，加入了疏水性水性聚氨酯、包裹有1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷的聚磷腈微球以及氨基功能化的碳纳米管。这种织物传感器能够监测多种人体运动，其增益因子高达4.79。

目前，大多数超疏水型基于织物的应变传感器都是通过涂层方法制备的，而涂层与纤维之间的界面结合强度会削弱超疏水表面的稳定性以及应变感知性能，尤其是对于多层涂层的织物而言[38]、[39]。一方面，由脆弱纳米粒子或纳米线构成的导电网络在反复拉伸过程中容易破裂，导致电学连通性丧失，进而引发信号漂移或设备失效。另一方面，赋予超疏水特性的脆弱微纳粗糙结构也容易被机械磨损或拉伸破坏，从而导致表面状态从卡西-巴克斯特状态转变为文泽尔状态，进而失去防水功能[40]、[41]、[42]。此外，功能涂层与织物纤维之间的界面粘附力较差，也会在长期使用过程中导致分层和剥落，大大缩短设备的使用寿命[43]、[44]。因此，如何开发出一种在大幅变形以及潮湿或水下环境中仍能保持高灵敏度检测性能和可靠防水功能的耐用型基于织物的应变传感器，依然是一个重大挑战。

在本研究中，我们设计并制备了一种多功能可穿戴织物，该织物通过具有分层结构的复合涂层进行装饰，借助简单的浸涂-喷涂涂层工艺，实现了防水功能与应变感知功能的整合。由内部MXene和外部F-Fe₃O₄/MWCNTs构成的双阶段导电网络，不仅提供了多条导电路径，确保了较宽的应变感知范围（高达200%），还使得复合涂层能够起到低表面能疏水屏障的作用。此外，我们还引入了一种含有羟基和磺酸基团的功能性共聚物（HE-co-SV），作为仿生粘合剂，显著增强了复合涂层与弹性织物基底之间的界面结合力，从而提升了材料的机械强度和长期耐用性。因此，即便在100%的拉伸应变作用下，超疏水表面依然能有效发挥作用，使得这种多功能可穿戴织物传感器能够在水中稳定工作。这项工作不仅为水上环境下的人体运动监测和医疗保健应用提供了实用解决方案，还为设计出更具耐用性、高性能的柔性可穿戴电子设备奠定了基础，这类设备能够在恶劣的工作环境中正常运行。

章节要点

材料

羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）由江苏仙丰纳米材料有限公司提供。四氧化三铁（Fe₃O₄）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）以及1H,1H,2H,2H-十七氟十二烷基三甲氧基硅烷（PFDT）和无水乙醇则由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。聚氨酯胶带则购自江苏广益医用敷料有限公司。超弹性

MWF的设计

在本研究中，我们通过在织物纤维上涂覆复合涂层，设计出了兼具应变感知功能和超疏水表面的多功能可穿戴织物（见图1）。

在复合涂层中，内部的MXene与外部的F-Fe₃O₄/MWCNTs共同构成了MWF的导电网络，确保了其导电性。而功能性共聚物则不仅增强了复合涂层与织物纤维之间的界面粘附力，还为MXene提供了天然的抗氧化保护作用[45]

结论

总之，我们通过简单的浸涂-喷涂复合涂层工艺，成功设计并制备出了一种兼具防水功能与应变感知功能的多功能可穿戴织物。在超弹性织物上构建的分层复合涂层中，内部的MXene与外部的F-Fe₃O₄/MWCNTs形成了双阶段导电网络，分别提升了材料在初始应变状态和大幅度拉伸应变状态下的导电性能，而氟化物成分则

作者贡献说明

曹吉鹏：资金筹集。 徐兰杰：资金筹集。 马俊奇：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、资金筹集、数据整理。 毛思遥：方法设计。 张艺文：可视化处理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了辽东大学博士科研基金（2024BS039）、辽宁省教育厅基础研究项目（LJ222511779003）、辽宁省自然科学基金（2025JH2/101800277和2025JH2/101800386）以及辽宁省环保功能性纱线中试公共服务平台建设项目（2024JH24/1040018）的支持。

Junchi Ma|Yiwen Zhang|Siyao Mao|Lanjie Xu|Jipeng Cao