关键词：水性聚氨酯、异佛尔酮二异氰酸酯IPDI、聚四氢呋喃醚二醇PTMG2000、二羟甲基丙酸DMPA、糠醇、N,N'-（4,4'-亚甲基二苯基）双马来酰亚胺BMI、细菌纤维素BC、N,N-二甲基乙酰胺DMAC、三乙胺TEA、二月桂酸二丁基锡 DBTDL

Self-healing waterborne polyurethane/bacterial cellulose composite flexible electronic skin based on Diels-Alder dynamic covalent bonds: Preparation, mechanical properties, and sensing performance

Chemical Engineering Journal，13 August 2026，180644

DOI：10.1016/j.cej.2026.180644

一、研究背景

传统水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane, WPU）基柔性传感材料普遍存在力学强度不足、自修复效率偏低、循环传感稳定性差等瓶颈问题。一般而言，材料力学强度与自修复性能之间存在难以调和的权衡关系；同时，导电填料易在聚合物基体中发生团聚，难以构建连续且稳定的导电网络，上述问题限制了该类柔性传感器在可穿戴生理监测领域的实际应用。针对上述问题，本研究引入热可逆Diels-Alder（DA）动态共价键构建自修复水性聚氨酯基体，采用细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）纳米纤维对基体进行增强改性，复配多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）作为导电相，构筑了同时具备高强韧性、高效自修复能力与稳定传感性能的复合柔性电子皮肤。

二、材料体系与结构设计

1、含DA动态键水性聚氨酯（WPU）的合成

以聚四氢呋喃醚（PTMG）为软段，异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）与二羟甲基丙酸（DMPA）构建硬段，通过双马来酰亚胺（BMI）与呋喃甲醇（FA）发生Diels-Alder环加成反应，将热可逆DA动态共价键共价接枝到聚氨酯分子链中。各组分功能如下：

A.软段：聚四氢呋喃醚（PTMG），为材料提供高延展性；

B.硬段：异氰酸酯与羧基结构，可诱导硬段聚集，保障材料的基础力学性能；

C.动态功能单元：呋喃-马来酰亚胺DA可逆键，赋予材料热触发自修复与可回收特性。

2、WPU/BC/MWCNTs复合薄膜的构筑

将细菌纤维素（BC）纳米纤维与导电多壁碳纳米管（MWCNTs）分散于含DA键的WPU基体中，各组分作用与体系结构特征如下：

A.BC纳米纤维与聚氨酯分子链相互缠结，依靠界面氢键作用形成拓扑限域结构，可显著提升复合材料的力学强度；

B.BC可抑制MWCNTs的团聚行为，促进碳纳米管均匀分散，辅助构建连续导电通路；

C.体系形成DA动态共价键+分子间氢键+物理缠结的多重动态协同网络。

三、核心理化与力学性能

在BC添加量仅为5‰的低填充条件下，本研究制备的复合材料实现了优异的综合力学性能：

1、拉伸强度可达41.5 MPa，断裂伸长率为674%，同时实现了高强度与高拉伸性的兼顾；

2、热可逆DA键有效破解了“强度-自修复”此消彼长的矛盾，经热处理后材料自修复效率高达119%；

3、该复合材料具备良好的热稳定性与可回收再加工性能。

四、柔性传感性能

复合薄膜依托MWCNTs构建的导电网络实现应变传感功能，其性能特征如下：

1、应变灵敏系数GF=10.15，有效传感区间为0–130%应变，多次循环加载下信号输出稳定；

2、可精准识别人体大尺度运动（如行走、肢体屈伸）；

3、能够采集微弱生理信号：肌电信号（EMG）、心电信号（ECG），适用于人体生理信息的实时监测。

五、作用机制

1、BC增强机制：一维BC纳米纤维穿插分布于WPU基体中，通过界面氢键与物理缠结实现应力传递，大幅提升材料力学性能；同时BC作为分散载体，可抑制MWCNTs团聚，稳定导电网络结构。

2、自修复机制：升温条件下DA键发生逆DA反应，分子链运动能力恢复；降温后再次发生DA加成反应，断裂界面重新形成共价连接，实现材料的高效修复。

3、传感机制：拉伸作用下MWCNTs导电通路发生可逆断开与重建，该结构变化转化为电阻变化信号，实现应变传感功能。

六、主要研究结论

1、本研究成功制备了含有热可逆Diels-Alder动态共价键的自修复WPU基体，引入微量BC纳米纤维实现了材料的高强韧化；

2、通过多重动态网络协同效应，解决了传统聚氨酯强度与自修复性能难以兼顾的技术瓶颈；

低含量BC即可实现材料力学性能的显著提升，同时改善MWCNTs的分散性；

3、所制备的复合薄膜具备高灵敏度、宽应变传感范围与稳定的循环响应性能，可用于检测人体运动及心电、肌电生理信号；

4、该多功能复合薄膜集成了优异的力学稳定性、高效自修复能力与可靠的传感特性，为可穿戴电子、柔性生理监测器件提供了候选材料方案。

七、创新亮点

1、动态共价键策略：将DA可逆共价键引入水性聚氨酯，依靠热可逆共价作用实现材料的高效自修复与可回收；

2、极低填充增强体系：仅添加5‰微量BC纳米纤维即可实现显著增强，同时兼顾材料的轻质特性与加工性能；

3、填料分散协同设计：以BC纳米纤维作为分散介质抑制碳纳米管团聚，构建长期稳定的导电网络；

4、应用场景多元化：不仅可实现应变传感，同时可采集EMG、ECG微弱生理信号，可应用于医用可穿戴设备领域。

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