Page 94 - 《精细化工》2022年第1期

·84· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

由图 4a 可知，TPU 纳米纤维纱线的断裂强度和
伸长率分别为 63.4 MPa 和 620.7%。MTY-1 具有最
高的断裂强度为 70.4 MPa，这主要归因于 MXene
片层在纳米纤维中的桥接作用导致更有效的应力传
递。进一步增加 MXene 负载量会导致复合纱线的断
裂强度和伸长率进一步降低，这主要归因于 MXene
片层在纱线内部形成更大的聚集体阻碍纳米纤维间
应力传递。此外，所有 Mxene/TPU 复合纱线的断裂

伸长率均在 459%以上，展现出优异的弹性。如图
图 5 MXene/TPU 纳米纤维纱线应变传感性能(a)；MTY-4
4b 所示，MTY-4 纱线在 50%拉伸应变下循环拉伸
与文献报道的其他纱线传感器的性能对比(b)
100 次后实时电阻的相对变化仍然小于 10%，展现
Fig.5 Strain sensing performance of MXene/TPU nanofiber
出较好的循环稳定性。此外，从纱线的循环拉伸曲 yarns (a); Strain sensing performance comparison of
线可知，纱线具有较好的弹性及弹性回复性。因此， MTY-4 with previous reported yarn strain sensors (b)

MTY-4 纱线较好的电阻稳定性主要归因于其较好的
MTY-4 较为优异的应变传感性能主要归因于以
弹性和弹性回复性。
下几个方面：（1）TPU 纳米纤维被 MXene 纳米片完
2.4 纳米纤维纱线应变传感性能
全包覆，赋予纤维基体较好的导电性；（2）MXene
由于 MTY 纱线较好的弹性和导电性，其可以
纳米片在纱线内部及表面建立完整的导电网络，赋
作为柔性应变传感器，其应变传感性能如图 5 所示。
予纱线较好的结构一致性；（3）TPU 纳米纤维较好
由图 5a 可知，MTY 纱线在拉伸过程中电阻呈现接 的弹性使得纱线在拉伸过程中 MXene 片层发生可
近线性增加，这也和文献 [19-20] 报道的其他弹性导电
逆的“接触-滑移分离”，如图 6 所示，MXene 基导
纤维的趋势相同。此外，MTY-4 具有高的灵敏度， 电网络发生可逆的“破坏-重建”过程。
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并且其传感曲线的相关系数（线性度）高达 R =0.995，
表明其具有优异的传感性。为了衡量 MTY 纱线的传感
性能，采用传感系数（GF）衡量纱线的灵敏度。MTY-1、
MTY-2、MTY-3、MTY-4、MTY-5 的传感系数（即图
5a 斜率）分别为 6.99、101.87、300.0、477.86、341.18，
表明 MTY-4 具有最优异的应变传感性能。
如图 5b 所示，对比了 MTY-4 和文献报道的纱线
应变传感器的传感性能。本文制备的 MTY-4 的传感系
数高于大部分文献报道的其他纱线 [5-8,11,13,17,21] ，例如：
[11]

MXene/PU 纱线（GF=17） ，AgNW/PU 纤维（GF= 图 6 MXene/TPU 纳米纤维纱线传感机制
87.6） [8] ，RGO/PANI/弹性纱线（GF=60.3） [6] ， Fig.6 Schematic illustration of the sensing mechanism of
[5]
MWCNT/TPU 纤维（GF=97.1） 。此外，本文的 MTY yarns

MTY-4 的最大应变区间也比上述纱线应变传感器高， 2.5 纳米纤维纱线应变传感器的应用
表明其具有优异的应变传感性能。尽管 MTY-4 的传感 为了证明 MTY 纱线作为可穿戴应变传感器来
系数（GF=477.86）略低于 AgNPs/AgNWs/MXene/弹 监测人体运动状态的可行性，MTY-4 纱线被粘贴到
性包芯纱（ GF=872.79 ） [4] 和 Ag/RGO/PU 纱线 人体的不同部位，例如：手指、手腕、胳膊肘、喉
[9]
（GF=500） ，但是 MTY-4 具有更宽的应变范围。 咙和膝盖，并且监测其在运动过程中的电阻变化，
应变传感性能如图 7 所示。由图 7a 可知，在手指弯
曲和恢复过程中，可以检测到持续稳定的电阻信号，
并且电阻的变化率可高达 65%。此外，MTY 还可以
监测手腕的运动以及手臂摆动过程，均可以得到稳
定的电阻信号，如图 7b、c 所示。由图 7d、e 可知，
MTY 纱线可以监测人体在喝水和走路时的物理信
号，证明了 MTY 纱线应变传感器可以用于人体的
康复训练以及软体机器人等领域，在上述的应用领
域具有较大的应用前景。