《Journal of Colloid and Interface Science》：Heterogeneous phase-change polyelectrolyte-based flexible temperature sensors via thermally-driven for tunable wide-range temperature monitoring
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摘要柔性温度传感器是柔性电子领域的核心组件。为了解决检测范围窄、灵敏度和稳定性不佳的问题，本研究采用聚(n-烷基丙烯酸酯)共聚物和离子液体（LiTFSI），提出热驱动离子跨膜迁移机制，并设计了非对称双层结构。通过根据具体温度需求调节丙烯酸酯单体的烷基侧链长度和混合比例，可将传
摘要
柔性温度传感器是柔性电子领域的核心组件。为了解决检测范围窄、灵敏度和稳定性不佳的问题，本研究采用聚(n-烷基丙烯酸酯)共聚物和离子液体（LiTFSI），提出热驱动离子跨膜迁移机制，并设计了非对称双层结构。通过根据具体温度需求调节丙烯酸酯单体的烷基侧链长度和混合比例，可将传感器的温度检测区间精确控制在约9 °C。采用该系列材料不同配方的传感器实现了累积式温度范围覆盖。本工作中由四种同系物材料——十二碳丙烯酸酯（DA）、十六碳丙烯酸酯（HA）、十八碳丙烯酸酯（SA）和丁基丙烯酸酯（BA）在不同混合比例下制备的传感器，实现了从?20 °C至70 °C的宽范围连续温度检测。在优化的离子液体掺杂浓度下，传感器获得了超高的电阻温度系数（TCR）为?7.51% °C?1，以及0.1 °C的高检测分辨率。该传感器在弯曲、拉伸、扭转和压力变形下均能保持稳定的传感信号，表现出优异的机械鲁棒性。它能够在低温冷链、人体体温检测、电池过热及火灾隐患预警等多种场景中实现实时温度监测，并可集成到柔性触摸传感阵列中，为高性能柔性温度传感器提供了新的材料体系和传感策略。
引言
作为柔性电子和智能传感系统的核心感知单元[1]，柔性温度传感器在仿生触觉机器人[2]、人体生理监测[3]、智能可穿戴设备[4]、医疗康复器械[5]、工业柔性检测[6]以及智能家居系统[7]的温度数据采集方面发挥着至关重要的作用，是连接物理环境与智能终端的关键桥梁。尽管柔性电子在高集成度、卓越灵敏度、宽工作范围和强环境适应性方面取得了快速发展[8]、[9]、[10]，但现有的柔性温度传感器在检测范围和温度灵敏度方面仍存在固有局限[11]、[12]。大多数传感器无法在宽温区间内保持稳定且高灵敏度的响应[13]，这限制了它们在极端环境和高精度检测场景中的应用[14]。因此，迫切需要实现材料体系、传感机制和结构设计方面的创新突破。研究人员已投入大量努力以提升柔性温度传感器的灵敏度和温度检测范围[15]、[16]、[17]。尽管在单项性能参数方面取得了一定的进展[18]、[19]、[20]，但现有的材料体系和传感机制仍然存在固有缺陷[21]、[22]、[23]。复合传感器通常具有较低的电阻温度系数[24]，无法满足高精度监测的要求。例如，金属薄膜与刚性陶瓷的结合体柔韧性差且机械稳定性不足[25]，在弯曲和拉伸变形下性能下降。有机小分子相变材料（PCMs）仅在室温附近有效，缺乏低温和高温检测能力[26]。此外，导电聚合物基复合材料存在严重的响应滞后和机械疲劳问题[27]。目前，主流优化策略包括开发新型热敏材料[28]、层级结构设计[29]、复合功能改性[30]以及创新传感机制[31]。值得注意的是，相变与离子传输的耦合策略因其高响应性和宽温适用性已成为研究热点[32]、[33]。
为克服上述瓶颈，本研究采用聚(n-烷基丙烯酸酯)共聚物作为柔性基底[34]。此类聚合物在特定温度范围内发生可逆的固-液相变[35]、[36]，伴随分子链运动和微观结构的显著变化，从而触发电阻率和电导率的显著变化[37]、[38]。在固-液转变过程中，展开的分子支链产生更多的自由体积和可供离子迁移的通道[39]、[40]、[41]。另一方面，可将离子液体（LiTFSI）引入相变聚合物基体[42]、[43]、[44]；液相中热驱动的离子迁移率远高于固相，从而实现温度依赖的离子传输行为调控[45]。
本文提出了一种新的热中介离子跨膜传输机制。为高灵敏度温度传感，构建了由聚电解质层和非离子聚合物层组成的非对称双层结构。在环境温度下，非离子聚合物层因缺乏可移动电荷载流子而呈现高电阻。相比之下，聚电解质层作为稳定的离子源，在热激发下持续向非离子聚合物层释放离子。离子迁移表现出显著的温度依赖性[46]、[47]。温度升高会增加非离子层中的离子浓度，双层的电学特性逐渐由聚电解质组分主导[48]。这种结构演化使得在宽温范围内实现稳定且剧烈的电阻变化成为可能。与传统的电阻式和电容式温度传感器相比，所提出的机制具有多重优势[49]、[50]、[51]。在对应于优化材料配比的温度范围内，该传感器可提供超高的传感灵敏度和低检测限，以识别微小的温度变化。此外，该传感器在弯曲、拉伸和压缩下表现出优异的机械耐久性，并具有良好的材料兼容性。此外，制造过程与柔性电子制造技术完全兼容，为高性能温度传感器件提供了可行的路径[52]、[53]。
基于设计的相变复合体系和热中介离子迁移机制，成功制备了高性能柔性温度传感器。表征结果显示超高的电阻温度系数为?7.51% °C?1，且材料可根据不同的目标温度要求进行比例调整。每种基于相应配方的传感器具有约9 °C的温度检测跨度。由四种材料——十二碳丙烯酸酯（DA）、十六碳丙烯酸酯（HA）、十八碳丙烯酸酯（SA）和丁基丙烯酸酯（BA）的不同配方制备的传感器，实现了从?20 °C至70 °C的累积温度范围覆盖。该传感器在机械变形下保持稳定的传感性能，表现出优异的抗干扰能力。此外，阿伦尼乌斯图显示良好的线性拟合关系，且决定系数高（R2 > 0.99），确保可靠且精确的温度检测。这种新型传感器在仿生电子皮肤、连续人体体温检测、冷链物流监测、可穿戴医疗设备、电池过热报警和智能家电等方面展现出广阔的应用潜力。本研究为应用于极端和高精度传感场景的柔性电子提供了创新的材料体系和传感机制，促进了高性能柔性温度传感器的实用化和工业化。
章节片段
相变温度传感器的结构设计与离子跨膜迁移传感机制
所制备温度传感器的传感层由两个非对称混合聚合物层构成。一层采用超声分散的离子液体作为离子源，另一层则不含离子液体。如图1a所示，当环境温度达到相变温度时，半结晶聚合物传感层转变为无定形态，伴随电阻降低以及迁移
结论
本研究聚焦于同时提升柔性温度传感器灵敏度和检测范围的关键科学挑战。利用聚(n-烷基丙烯酸酯)共聚物的可逆固-液相变以及离子液体的热驱动离子传输行为，我们构建了非对称聚合物双层结构并提出了一种热中介离子跨膜迁移机制，从而成功制备了柔性温度传感器
材料
十二碳丙烯酸酯（DA），十六碳丙烯酸酯（HA），十八碳丙烯酸酯（SA），Behenyl丙烯酸酯（BA），2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（DMPA，99%），丁基三甲基铵双(三氟甲磺酰基)亚胺（LiTFSI，98%），二苯甲酮（BP，99.75%），氨基甲酸酯二丙烯酸酯低聚物（UDA，CN9021NS，Mn = 28,000），商用Ag电极，定制的双室聚四氟乙烯模具（2 cm × 3 cm × 0.01 cm）。
?16 °C至?7 °C的传感层
在室温下通过磁力搅拌混合3 g DA、2 g UDA、0.05 g DMPA和0.025 g BP
CRediT作者贡献声明
于晓：初稿撰写、数据整理、概念构思。 孟令瑞：初稿撰写、调查研究、数据整理、概念构思。 宋美雪：项目管理、方法学。 王鹏：初稿撰写、指导、概念构思。 孙桂芬：可视化、验证、软件、项目管理。 袁文静：验证、指导、资源、概念构思。 孟垂州：审阅与编辑、资源。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的经济利益冲突或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到山东省自然科学基金（ZR2025QC456）、河北省教育厅科研基金（JZX2024024）、中国纺织工业联合会应用基础研究项目（J202508）、中国博士后科学基金，以及浙江科技学院科研启动基金（24212186-Y）的资助。
于晓|孟令瑞|宋美雪|王鹏|孙桂芬|袁文静|孟垂州
