香港理工大学研究生，香港理工大学研究生申请条件2023
近年来，纤维基可拉伸电子器件在学术界和产业界都受到了广泛的关注。与传统薄膜型的柔性电子器件相比，纤维基可拉伸电子器件与人体曲面贴合性更好、形变适应性更高、透气性更强，适用于体表长期穿戴。作为电子器件的基本构成元素，功能纤维又很容易与纱线、织物以及服装集成，实现织物基可穿戴电子器件和设备，同时又不影响衣物的穿戴舒适性。时至今日，研究人员已开发各种类型的纤维基可拉伸电子器件，例如可拉伸的纤维型传感器、太阳能电池、超级电容器等等。在这些已报道的纤维基可拉伸电子器件中，作为基本构成元素的可拉伸导电纤维扮演着导电互联、电极、天线等至关重要的角色。然而，可拉伸导电纤维的连续可控制备和结构性能调控还面临着不小的挑战。
香港理工大学的郑子剑教授、黄琪瑶助理教授和之江实验室的马志军研究员等人合作，提出了一种基于多材料热拉丝技术的可拉伸导电纤维连续制备方法。通过这种方法获得的纤维具有超弹性（断裂应变>1500%）、高电导率（>4000 S/cm）和高稳定性（60%应变反复拉伸10000次保持良好导电性）。这种方法还可以通过对纤维预制棒的结构设计和拉丝过程同步旋转调控纤维的单丝数、捻度等结构参数，从而调控纤维的力学和电学性能。此外，这种可拉伸导电纤维与商用纺织技术具有良好的兼容性，可以通过平纹梭织、纬平针织等方法加工成导电织物。相关成果以“Stretchable and conductive fibers fabricated by a continuous method for wearable devices”为题，发表在在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science。
要点1：可拉伸导电纤维的连续制备
图1. Ag-SBS可拉伸导电纤维的连续制备示意图及各阶段产物的形貌
该工作报道的可拉伸导电纤维基体材料为商用丁苯橡胶（SBS），银纳米颗粒分布在纤维表面和基体内部，实现导电性能。根据其构成特点，作者将这种纤维命名为Ag-SBS，其制备是基于多材料热拉丝技术实现的。具体的制备过程和各阶段的产物形貌如图1所示。
要点2：可拉伸导电纤维的力学和电学性能
图2.Ag-SBS可拉伸导电纤维的力学和电学性能
纤维的直径对银纳米颗粒的装载量和纤维电导率有显著的影响。通过调整拉丝过程的纤维牵引速度，作者制备了直径为630微米、390微米和110微米的三种纤维，经过三遍载银（三氟乙酸银溶液浸泡吸收银离子和水合肼溶液浸泡还原）处理，三种纤维的银纳米颗粒装载量分别为44 wt%、58 wt%和66 wt%，而相应的电导率则分别为4.4 S/cm、23 S/cm和1300 S/cm。纤维的电导率还可以通过改变载银次数来加以调节。经过5遍载银处理的纤维具有最好的力电稳定性，100%应变下的电阻还可以保持在20Ω左右，这对于构建可拉伸电路等应用是非常有利的。
要点3：可拉伸导电纤维的微结构调控
图3.多丝Ag-SBS可拉伸导电纤维的制备及力学和电学性能
相比于湿法纺丝、干法纺丝等传统技术，该项工作提出的可拉伸导电纤维制备方法在纤维微结构调控方面具有明显的优势。作者将热拉丝制备的芯包结构PMMA@SBS纤维截断堆叠后插入另一根PMMA套管再次进行热拉丝获得了包含多根SBS细丝的PMMA@(PMMA@SBS)复合纤维，进一步通过冰醋酸浸泡溶除PMMA、三氟乙酸银溶液浸泡吸收银离子和水合肼溶液浸泡还原即可得到多丝结构的Ag-SBS纤维。研究表明，在相同的载银处理条件下多丝纤维相比于单丝纤维具有更大的断裂应变、更高的电导率和更好的柔顺性。随着加捻程度的增大，纤维的断裂应变和力电稳定性也得到进一步的提升。这种多丝可拉伸导电纤维也具有很好的形变耐候性，即使在60%的应变下反复拉伸10000次还可以保持良好的导电性。
要点4：可拉伸导电纤维的纺织加工性能
图4.Ag-SBS可拉伸导电纤维的纺织加工性能
该项研究开发的Ag-SBS可拉伸导电纤维具有良好的加工性能，可通过平纹梭织、纬平针织、斜纹织等商用纺织技术加工成各种类型的功能织物。通过织物的结构设计还可以在纤维的基础上进一步提升力学和电学性能，并且保持织物良好透气性的特点，对于构筑高性能的可穿戴电子器件具有重要的意义。
要点5：可拉伸导电纤维的应用探索
图5.Ag-SBS纤维及织物的应用探索
Ag-SBS纤维兼具超弹性、高电导率、高稳定性和良好的纺织加工性能，在构建织物基可穿戴电子器件和设备方面有很大的潜力。对此，作者演示了这种材料在生理信号监测和可穿戴理疗方面的潜在应用。研究表明，借助Ag-SBS纤维的力电耦合特性可实现对人手指动作的高灵敏检测，实现手势传感。Ag-SBS纤维编织而成的织物电极可用于人体关节部位的可穿戴热疗。将这种织物缝制在衣服上还可以作为可穿戴电极贴片，实现对人体ECG信号的可靠检测。并且这种电极在经过多达20次的反复洗涤之后还能保持很好的ECG信号采集功能。
小结
该工作提出了一种基于多材料共拉丝技术的可拉伸导电纤维连续制备及微结构和性能调控方法。获得的纤维具有超弹性、高电导率、高稳定性和良好的纺织加工性能，在构建高性能织物基可穿戴电子器件和设备方面有很大的潜力。该工作为织物基可穿戴电子技术的进一步发展提供了导电基体材料的潜在解决方案，有望推动可穿戴电子在元宇宙、智慧医疗等方面的应用。
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101300
香港理工大学研究生(香港理工大学研究生申请条件2023)
