吴鑫副教授课题组在3D打印纳米材料增强聚氨酯柔性传感器领域取得新进展

发布人：胡照斌 发布日期：2024-09-14

随着信息时代的发展，人们对传感器的探测范围、灵敏度、稳定性和功能丰富度提出了更高的要求。对于特定条件下的应力、温度和气体等监测需求，传统传感器已无法满足实际需要，柔性可穿戴传感器近来年受到广泛关注。然而，制造高灵敏度和宽检测范围的柔性应变传感器仍受到来自材料技术和制造手段的巨大挑战。传统的制造方法如模具成型、热压、静电纺丝等，在功能柔性设备的生产中面临各种困难和限制，难以满足复杂结构柔性传感器的需求。

针对上述问题，吴鑫副教授课题组在前期的研究工作基础上，利用溶液混合浇注法和双螺杆挤出技术，制备了高性能热塑性聚氨酯/多壁碳纳米管（TPU/MWCNT）纳米复合材料3D打印用丝材，并结合FDM 3D打印技术实现简易、快速地制造高性能柔性应变传感器(图1)。同时，提出了通过添加 PCA（1-芘甲酸） 改善 MWCNT 在 TPU 复合材料中的分散性，进而提高复合材料的热稳定性以及在不同拉伸应变下机械和电学性能的方法。研究发现，制备的TPU/MWCNT（3wt%）/PCA纳米复合材料具有优异的机电性能以及3D打印的TPU/MWCNT(3wt%)/PCA 柔性应变传感器在宽应变范围内表现出惊人的灵敏度（GF max=10279.95）。同时，3D 打印的柔性传感器显示出卓越的耐用性和可重复性。

图1. 文章图片摘要

碳纳米管在TPU 纳米复合材料中的分散性是影响传感器性能和机械性能的关键因素。为此，课题组提出一种通过添加PCA提高复合材料分散性的方法。通过高分辨FESEM 观察不同 MWCNT 填充浓度下的 TPU 纳米复合材料 3D 打印样品的表面形态(图2)。从图 2（a、c、e）中可以看出，在不添加PCA的情况下，随着 MWCNT 填充浓度的增加，TPU 复合材料中的 MWCNT 团聚现象加剧（代表 MWCNT 的小白点），尤其是在 MWCNT 含量为 4wt% 时，TPU 纳米复合材料中的 MWCNT 团聚现象更为明显（图 2（e））。添加PCA后（图 2（b、d、f）），可以清楚地观察到MWCNT在复合材料中均匀分布，而不是聚集在一起，这表明添加PCA后，TPU/MWCNT/PCA复合材料具有更好的 MWCNT 分散性。这些观察结果表明，添加 PCA 可有效改善 MWCNT 在基于TPU的纳米复合材料中的分散性。

图2. 3D打印复合材料的FESEM图片: (a) TPU/MWCNT (2wt%) 和 (b) TPU/MWCNT (2wt%)/PCA 纳米复合材料; (c) TPU/MWCNT (3wt%) 和 (d) TPU/MWCNT(3wt%)/PCA 纳米复合材料; (e) TPU/MWCNT (4wt%) 和 (f) TPU/MWCNT(4wt%)/PCA 纳米复合材料。(a、c、e）中的红色虚线圆圈表示团聚颗粒。

为了深入探索TPU/MWCNT(3wt%)/PCA纳米复合材料在可穿戴传感技术领域的实际应用潜力，本课题组融合了高精度的3D打印技术，成功研制出高性能的TPU/MWCNT(3wt%)/PCA柔性应变传感器。该传感器不仅展现了卓越的柔韧性与定制化潜力，还精准应用于人体多个关键部位的活动监测（图3&4），实现了对人体不同部位运动的实时响应。研究结果表明，课题组制造的柔性应变传感器能够即时且灵敏地响应手指的弯曲动作以及其他身体活动，彰显了其卓越的运动感知能力。尤为重要的是，传感器在不同类型运动下的响应信号表现出高度的稳定性和辨识度，进一步验证了TPU/MWCNT(3wt%)/PCA复合材料快速响应与优异可重复性的技术特性，凸显了其在人体运动监测方面的巨大潜力。

图3. 3D 打印TPU/MWCNT(3wt%)/PCA 柔性应变传感器在手指弯曲不同角度下的相对电阻变化：(a) 弯曲30°，(b) 弯曲 45°，(c) 弯曲 60°，(d) 弯曲 90°。

图4. 3D打印TPU/MWCNT(3wt%)/PCA柔性应变传感器用于监测人体各种活动下的相对电阻变化：(a) 手腕弯曲，(b) 手臂弯曲，(c) 张口和闭口，(d) 膝关节弯曲。

相关成果发表在复合材料领域顶级期刊Composites Science and Technology上（X. Luo, H. Cheng, K. Chen, L. Gu, S. Liu, X. Wu. Multi-Walled Carbon Nanotube- Enhanced Polyurethane Composite Materials and the Application in High-Performance 3D Printed Flexible Strain Sensors. Composites Science and Technology, 2024, 110818.）,上述研究成果，吴鑫副教授、顾林副教授、刘胜副教授为论文通讯作者，2022级硕士研究生罗鑫春作为论文第一作者。研究工作得到广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515010735和2021A1515111067）和装备预研教育部联合基金（8091B032206）项目支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110818.