《ACS Omega》：PEDOT–PSS Surface-Coated Warp-Knitted Spacer Structure for Thermoelectric–Piezoelectric Dual-Mode Flexible Sensor
编辑推荐：
具备多模态传感能力、可检测人体生理信号的智能可穿戴织物，在下一代健康监测应用中受到广泛关注。压电与热电功能聚合物可同时构筑于纤维架构中，但其在多重物理场下的灵敏度与协同响应机制仍缺乏系统认知。研究人员通过原位聚合结合相分离法将PEDOT/PSS均匀涂覆于三维间
具备多模态传感能力、可检测人体生理信号的智能可穿戴织物，在下一代健康监测应用中受到广泛关注。压电与热电功能聚合物可同时构筑于纤维架构中，但其在多重物理场下的灵敏度与协同响应机制仍缺乏系统认知。研究人员通过原位聚合结合相分离法将PEDOT/PSS均匀涂覆于三维间隔织物的表层与PVDF间隔丝表面，再以二甲基亚砜（DMSO）与乙二醇（EG）后处理，制备出兼具热电与压电响应的三维柔性PPSF传感单元。系统表征了制备工艺、表面形貌、热电与力学性能及透气性，评估了塞贝克系数、电导率与功率因子。优化后的PPSF（5 vol% DMSO、2 h EG处理、3 mm厚度）室温下塞贝克系数为25.6 μV·K–1，电导率0.33 S·cm–1，功率因子84.7 μW·m–1·K–2，在ΔT=1 K下响应时间约1 s。将30个p型/n型PPSF单元热并联、电串联集成，构建压力–温度双模柔性传感器，于ΔT=10 K与40 K分别输出15.3 mV与60.1 mV；电压稳定性测试显示前5 min略有下降后进入稳定平台。手指按压实验中，该柔性传感器对温度与压力刺激独立且同时响应，产生可区分的电压与电流信号。
研究背景与立项依据
随着可穿戴智能电子快速发展，高效能量收集与多模态生理信号检测需求剧增。传统无机热电纤维柔性差、难与服装基材集成；有机共轭聚合物（如PEDOT/PSS）虽具溶液加工性与柔性优势，但稳定成纤/成膜及热电–压电协同机制不清。现有柔性传感器难以兼顾弯曲拉伸完整性、高热电输出与纺织基材兼容。研究人员以三维经编间隔织物（surface layer/spacer yarn/core–sheath PVDF）为基底，外层 conformal 涂覆PEDOT/PSS，提出热电（Seebeck）–压电（PVDF dipole polarization）双模自供能传感架构，旨在为低功耗自驱动织物传感器提供实验基础。该文发表于《ACS Omega》。
主要关键技术方法
研究人员采用三维聚酯经编间隔织物（间隔丝为200D PVDF单丝，表层150D聚酯DTY）为基底；通过原位聚合浸渍–干燥循环实现PEDOT/PSS conformal 涂层；以DMSO（3–5 vol%）调控相分离、EG（1–5 h）后处理促进PEDOT链伸展与PSS脱除；表征端联合扫描电镜能谱（SEM-EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶红外（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重（TGA）与热电测试系统（CTA-3S）评估形貌/化学/晶态/热电参量；以有限元分析（FEA）模拟红外辐照传热；将30个优化PPSF单元（4 mm×5 mm×3 mm）热并联电串联集成5 cm×5 cm织物传感器，并演示呼吸监测口罩与温控手套原型。
研究结果
3.1 PPSF形貌与元素表征
SEM显示涂层后纤维表面粗糙密度增加、直径增大但保持柔性；EDS证实C/O/S均匀分布；XPS中PEDOT关联S 2p（~164 eV）相对PSS关联S 2p（~168 eV）强度比上升，表明EG促表面富PEDOT、贫绝缘PSS；FTIR/XRD显示PET与PEDOT特征峰共存，EG处理后PEDOT结晶峰（17.4°、22.7°、25.9°）增强，链堆砌有序度提升。
3.2 PPSF热电–压电传感单元性能
3.2.1 热电性能：DMSO 5 vol%时电阻最低，EG 2 h处理电阻~2.2 Ω、塞贝克系数峰值25.6 μV·K–1、电导率0.33 S·cm–1、功率因子84.7 μW·m–1·K–2；3 mm厚样品在0–100 °C电阻波动极小；ΔT越大输出电压越高，撤去温差后电压衰减趋稳。
3.2.2 温度传感性能：ΔT 10–60 K电压线性响应；ΔT=0.1 K仍可分辨；1–3 K循环输出稳定；ΔT=1 K响应时间~1 s。
3.2.3 压电传感性能：1/5/10 kPa峰值电压分别约±1.29 V/±2.1 V/±6.3 V；1 kPa下响应~100 ms；1 kPa压缩20与100次波形稳定；3 mm及以下厚度弯折10–100次塞贝克系数基本不变，4 mm弯折后略降。
补充物性：PPSF透气率由721.6降至121.2 mm·s–1；压缩应力高于原布；TGA显示涂层后热稳定性尚可。
讨论与结论翻译浓缩
研究人员指出，三维间隔结构内静止空气层隔热、维持温差，PEDOT/PSS涂层提升传热与载流子迁移，PVDF间隔丝受压弯产生偶极极化实现压电捕获，两效应在真实佩戴时自然耦合。优化参数（5 vol% DMSO、2 h EG、3 mm）平衡了电导率与塞贝克系数。30单元集成器件对指压温度/压力刺激独立同步响应，呼吸口罩与温控手套原型验证可穿戴适用性。结论：该PPSF双模传感单元兼具较高热电功率因子（84.7 μW·m–1·K–2）、快速温/压响应（1 s/100 ms）与弯压耐久性，为后续优化界面键合、提升热电效率及开发自驱动低功耗织物传感器提供了可行结构与实验依据。
