纱线基压阻式压力传感器是可穿戴电子与智能纺织品的核心器件，但在大机械载荷作用下，这类传感器极易出现信号快速饱和、线性响应区间狭窄的问题，严重限制了其实际应用。该缺陷根源在于传统传感层的有效垂直压缩距离先天不足，受压时内部导电网络会同步导通，进而造成传感器提前达到饱和。
针对上述问题，东华大学覃小红教授、季东晓研究员提出一种器件层面的结构优化策略来突破这一技术瓶颈：对静电纺纳米纤维鞘层的堆叠结构进行定向设计，将垂直可压缩形变距离转化为可精准调控的设计参数。研究采用电场极性可控静电纺丝工艺，以热塑性聚氨酯（TPU）与聚丙烯腈（PAN）为原料，制备出孔隙率、厚度均可定制的层级交织纳米纤维集合体。
将该纳米纤维层包覆制成芯鞘型传感纱线后，厚度适中的纳米纤维鞘可在压力逐步增大的过程中实现导电通路逐级导通，在不损失力学稳定性的前提下大幅拓宽线性检测区间。经优化后的纱线传感器兼具宽线性响应区间与优异的循环耐久性能。此外，将该传感纱线刺绣制备成阵列式传感织物，可在真实穿戴场景下实现高精度空间压力分布成像。
本研究建立了纳米纤维堆叠结构与压阻响应特性之间的直接关联，为开发大量程、高耐久、可直接落地应用的压力传感纺织品提供了一套通用化设计方案。相关研究内容以“Engineering vertical compressible architectures in nanofiber sheaths for ultrawide-range yarn-based pressure sensors”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。
图 1 本研究所用聚合物及其纺丝液的基础性能。(a) 热塑性聚氨酯（TPU）与 (b) 聚丙烯腈（PAN）的化学结构示意图；(c) PAN 中强极性氰基（−C≡N）、(d) TPU 中中等极性氨基甲酸酯基团（−NH−COO−）的球棍模型，并标注对应偶极矩；聚合物纺丝液关键理化性能：(e) 表面张力、(f) 黏度、(g) 电导率，误差棒代表平均值 ± 标准差（试样数量n=5）；本研究采用的静电纺丝装置示意图：(h) 单针静电纺、(i) 双极性静电纺、(j) 共轭静电纺三种设备构型。
图 2 聚合物性能、电场响应行为、纳米纤维堆叠结构与压阻传感性能之间关联关系的示意图。
图 3 不同电场极性下静电纺 TPU、PAN 纺丝液所得纳米纤维膜的表征结果。单针静电纺制备纳米纤维膜的扫描电镜（SEM）图：(a) +T3、(b) −T3、(c) +P3、(d) −P3；插图为对应纤维膜的孔径分布曲线，其中−P3 纤维膜厚度过薄，无法完成稳定取样与测试。 正电场纺制 TPU 纤维膜：(e) 纺丝后表面残余电荷及其随时间衰减规律、(f) 面密度随纺丝时长的变化关系； PAN 纤维膜对应测试结果：(g) 残余电荷演变趋势、(h) 面质量与纺丝时长的关联； 纺丝时长 12 h 纤维膜的截面扫描电镜图：(i) +T12、(j) +P12； 不同纳米纤维膜的动态水接触角测试：(k) +T3、(l) −T3、(m) +P3、(n) −P3； 不同电场极性制备纤维膜的傅里叶变换红外（FTIR）光谱：(o) TPU 体系、(p) PAN 体系； 不同电场极性纳米纤维膜的差示扫描量热（DSC）曲线：(q) TPU 体系、(r) PAN 体系。
图 4 双极性电场下不同聚合物纺丝液静电纺制备纳米纤维膜的表征结果。(a) ±T3 纤维膜的扫描电镜（SEM）图；纯 TPU 双极性纤维膜：(b) 纺丝后表面残余电荷及其随时间衰减规律、(c) 面密度随纺丝时长的变化曲线。(d) ±P3 纤维膜的扫描电镜图；纯 PAN 双极性纤维膜：(e) 纺丝后表面残余电荷及其随时间衰减规律、(f) 面密度随纺丝时长的变化曲线。(g) ±T3 与 ±P3 纤维膜的孔径分布。(h) +T−P3、(i) −T+P3 杂化纤维膜的扫描电镜图，插图为对应样品的孔径分布。(j) 各类纳米纤维膜的面密度对比。(k) 对应纤维膜的动态水接触角变化过程。
图 5 不同卷绕频率制备的纳米纤维芯鞘型压力传感纱线性能表征。 不同卷绕频率下制备的芯鞘纱截面扫描电镜（SEM）图：(a) 1200 Hz、(b) 600 Hz、(c) 300 Hz、(d) 150 Hz、(e) 75 Hz。 (f) 纱线平均鞘层厚度与厚度不均匀度随卷绕频率的变化规律。 芯纱与芯鞘纱的力学性能：(g) 力 - 位移曲线、(h) 应力 - 应变曲线。 (i) 不同卷绕频率纱线的电阻率。 (j) 纱线受压下的相对电阻变化曲线。 (k) 在 100 N 载荷下完成 2000 次连续加卸载循环的长期耐久性能测试结果。
图 6 压力传感纱线的可穿戴应用。 阵列式压力传感织物：(a) 传感手套、(b) 传感袜子、(c) 传感背心，三者具备不同传感像素密度； (d) 传感背心配套测试装置示意图，该装置可单独读取每一个传感单元的电阻值； (e) 志愿者佩戴传感手套抓取橙子时，手套各传感单元的电阻变化； (f) 志愿者穿着传感袜子站立于地面时，袜子各传感单元的电阻变化； (g) 志愿者身着传感背心倚靠沙发时，背心各传感单元的电阻变化； (h) 食指关节处传感单元随关节活动产生的相对电阻变化，插图为手指伸直与弯曲状态的实物光学照片； (i) 传感纱单元在手指反复伸直 - 弯曲 - 伸直循环过程中的响应与恢复特性； (j) 手指持续弯曲状态下，传感纱单元电阻随时间的变化趋势。
原文信息：
Guo, X.; Wang, W.; Dong, S.; Zhang, L.; Ji, D.; Qin, X. Engineering Vertical Compressible Architectures in Nanofiber Sheaths for Ultrawide-Range Yarn-Based Pressure Sensors. Chemical Engineering Journal2026, 535, 175818. https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175818.
