文章重要内容

       热塑性聚氨酯熔喷非织造材料 (TPU MB) 具有良好的弹性、亲肤性、制备工艺相对简单、生产效率高等特点，是制备柔性应变传感器基底材料的理想之选。浙江理工大学孙辉副教授团队为了制备兼具高灵敏度和宽有效监测范围的柔性应变传感器，以TPU MB为柔性基底材料，采用简单的机械搅拌法将不同浓度的炭黑 (CB) 和二硫化钼 (MoS₂) 纳米片逐层组装在TPU MB表面，形成“三明治”结构，制备得到CB/MoS₂/CB@TPU MB柔性应变传感器。研究了CB的浓度对传感器性能的影响。本研究为开发制备方法简单、成本低，并兼具高灵敏度和宽有效监测范围的柔性应变传感器提供新思路。

文章背景

       近年来，市场对稳定且高性能器件的需求不断增长，推动了可穿戴电子设备的迅猛发展。其中，可穿戴柔性应变传感器由于其便携、柔软、舒适和小型化的特点，在多个领域展现出广泛的应用潜力。然而，目前多数柔性应变传感器难以同时兼顾高灵敏度和宽监测范围；此外，常见的已聚合物薄膜和织物作为基底材料的柔性传感器，具有舒适性欠佳或成本高等不足。热塑性聚氨酯熔喷非织造材料 (TPU MB) 除了具有传统非织造材料比表面积大、孔隙小和手感佳的优点，还具备良好的可伸展性与易弯曲性，其制备工艺简单且生产效率高，是一种较为理想的柔性应变传感器基底材料。二硫化钼 (MoS₂) 是一种过渡金属二硫化物，具有优异的电子转移能力和机械强度，而炭黑 (CB) 的导电性能优异、比表面积大且价格低廉。因此，本文选用TPU MB作为柔性基底材料，通过简单的机械搅拌法将CB与MoS₂逐层组装在TPU MB上，制备了CB/MoS₂/CB@TPU MB柔性应变传感器，并将其应用于人体运动监测的研究中。

文章概述

       研究团队首先用乙醇和去离子水超声清洗TPU MB，将其放入40 ^oC真空干燥箱中烘干备用。然后，将不同质量的CB和一定质量的MoS₂分别加入到去离子水中分别形成不同浓度的CB/MoS₂悬浮液。接着，采用机械搅拌法直接将CB和MoS₂逐层组装在TPU MB表面，以获得具有“三明治”结构的CB/MoS₂/CB@TPU MB柔性应变传感器。从图1a 可以看出，颗粒状的CB和片状的MoS₂均负载在TPU MB纤维的表面，MoS₂纳米片层被表面的CB颗粒层逐渐覆盖。得益于MoS₂和CB之间的协同作用，当CB的浓度为4 mg/mL时，制备得到的CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器的敏感性最佳 (图1b) ，其传感范围为0%~530% (图1c) ，灵敏度达2727.6 (图1d) 。该柔性应变传感器的响应时间和回复时间分别为220 ms和396 ms，如图2所示；能够经受住1000次拉伸-释放循环，表现出良好的耐久性能，如图3所示。

图1 (a) CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器的SEM照片; 不同CB浓度的CB/MoS₂/CB@TPU MB柔性应变传感器的 (b) I-V曲线和 (c) ΔR/R₀-应变曲线, (d) CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器的∆R/R₀-应变曲线。

图2 CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器的响应时间和恢复时间。

图3 在 (a) 50%, (b) 150%和 (c) 250%的应变下, CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器在1000次循环拉伸-释放时的ΔR/R₀曲线。

此外，如图4所示，将CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器固定在志愿者的膝盖、手指、嘴角、额头和喉咙上，该传感器在监测大幅度的人体动作(如蹲下、手指弯曲)、捕捉微小的面部表情变化(微笑、皱眉)以及辨识不同的声带振动模式(吞咽动作、英语单词发音)等方面均表现出色，显示了其在智能可穿戴设备领域具有良好的应用前景。

图4 CB₄/MoS₂/CB₄@TPU MB柔性应变传感器应用于 (a) 下蹲-站起循环, (b) 手指弯曲-伸直循环, (c) 微笑, (d) 皱眉, (e) 吞咽和 (f) 说“sensor”。

本论文的研究为开发兼具高灵敏度和宽有效监测范围的柔性应变传感器提供新思路，具有较大参考意义。

上述工作以研究论文形式在《高分子学报》2025年第7期印刷出版。论文第一作者为浙江理工大学研究生谢有秀，通信联系人为孙辉副教授。

基于热塑性聚氨酯熔喷非织造材料的高性能柔性应变传感器 .谢有秀, 李逢春, 杨潇东, 张德伟, 孙辉, 于斌.高分子学报, 2025, 56(7), 1203-1214High performance flexible strain sensor based on thermoplastic polyurethane melt-blown nonwovens.Xie, Y. X.; Li, F. C.; Yang, X. D.; Zhang, D. W.; Sun, H.; Yu, B..Acta Polymerica Sinica, 2025, 56(7), 1203-1214doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25025