Page 17 - 《精细化工》2021年第4期

第 4 期 郭茹月，等: 二维导电材料/柔性聚合物复合材料基可穿戴压阻式应变传感器的研究进展 ·651·

曲、呼吸和脉搏等的全方位人体运动监测。在应变 大弯曲半径 2.5 mm）和拉伸应变（最大拉伸应变
作用下，2D MXene 构成的 3D 导电框架接触面积增 40%）均表现出可恢复的电阻响应。二是将柔性聚
加，电子的传输路径缩短，导致传感器电阻减小。 合物直接渗透到预制的导电层中。CHEN 等 [32] 通过
真空过滤法在聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜表面沉积
了由银纳米线（Ag NWs）和还原氧化石墨烯（RGO）
组成的导电杂化材料 SGHPs，然后将 TPU 溶液浇铸
在其表面，得到 TPU/SGHPs 复合材料（图 3b），基
于该材料的传感器具有良好的弯曲响应能力、较高
的灵敏度和稳定性。

图 2 导电 MNOH 的制备原理示意图 [29]
Fig. 2 Schematic diagram of preparation principle of
conductive MNOH [29]

内部填充型压阻式应变传感器制备方法简单，
易于工业化生产。然而，聚合物固有的黏弹性及导
电材料与聚合物间的模量不匹配会产生明显的滞后
图 3 LBL 法制备聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDAC）/
现象。另外，由于聚合物基体的绝缘性，需要加入 MXene 涂层的原理示意图 [31] （a）；SGHPs/TPU 复
大量导电材料以达到复合材料的逾渗阈值，实现绝 合材料的制备原理示意图 [32] （b）
缘体向导体的过渡。但是较高含量的导电材料往往 Fig. 3 Schematic diagram of preparation principle of PDAC/
难以在聚合物基体中均匀分散，影响导电网络的均 MXene fabricated by LBL assembly process [31] (a);
Schematic diagram of preparation principle of
匀性，从而导致传感器具有较差的柔性和灵敏度。 SGHPs/TPU composite [32] (b)
1.3 三明治夹心型
三明治夹心型压阻式应变传感器是将导电网络 三明治夹心型压阻式应变传感器难以对导电层
夹在两层可拉伸的柔性聚合物层之间，形成类似三 的厚度和微观结构进行精确控制，因此传感器的重
明治的夹心结构。常用的制备方法主要有两种：一 复性较差，且制备过程繁琐。此外，由于导电层的
是在预制的柔性聚合物基体上沉积、转移或印刷导 脆性，此类应变传感器虽具有较高的灵敏度，但不
电层，然后再涂覆另一层柔性聚合物作为保护层。AN 能承受较大的应变 [33] 。
等 [31] 采用层层组装法（LBL）将带负电荷的 MXene 综上，采用不同工艺制备的三类应变传感器的
与带正电荷的聚电解质逐层吸附在聚合物基体表 工作范围、测试精度以及稳定性等具有明显的差异，
面，通过两种材料间的静电作用制备了三明治结构 如表 1 所示，在具体制备过程中应根据使用要求选
的 MXene 涂层，如图 3a 所示。该涂层对弯曲（最 择合适的传感器类型及其制备工艺。

表 1 表面吸附型、内部填充型和三明治夹心型应变传感器的比较
Table 1 Comparison of surface adsorption type, internal filling type and sandwich type strain sensors
类型 制备方法 优点 缺点 应用 参考文献
表面吸附型 将导电层涂覆于绝缘的 灵敏度高，线性度好 应变范围窄，重复性差， 微应变的健康检测，如呼 [27-28]
柔性聚合物基体表面 稳定性差，制备过程复杂， 吸、脉搏、心跳等
难以工业化生产
内部填充型 将导电材料直接分散在 应变范围宽，制备过程 灵敏度低，滞后现象明显， 大应变的健康监测，如人 [29-30]
聚合物颗粒/溶液中进行 简单，易于工业化生产 柔性较差，线性度较差 体关节运动、手指弯曲等
热压/挤压或热固化
三明治夹心型 将导电层夹在两层可拉 灵敏度高，线性度好 应变范围窄，重复性差， 微应变的健康检测，如呼 [31-33]
伸的柔性聚合物层之间 稳定性差，制备过程复杂， 吸、脉搏、心跳等
难以工业化生产