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  五邑大學紡織材料與工程學院巫瑩柱博士課題組和美國亞利桑那州立大學航空與機械學院姜漢卿教授課題組合作，共同研發了一種適用于智能紡織品的高彈性，可水洗，可焊接的高導電纖維。該研究于2020年1月27日以題為“Conductive and Elastic 3D Helical Fibers for Use in Washable and Wearable Electronics”發表在知名期刊Advanced Materials上(DOI：10.1002/adma.201907495）

  導電材料是構成電子智能紡織品的基礎材料，目前已經有許多制造智能紡織品導電材料的方法，但是這些方法由于存在以下問題在一定程度上限制了他們的實際應用：

  （1） 柔性和導電性之間的平衡較差，雖然目前彈性導電纖維具有優秀的可拉伸性（可以產生超過1000％的應變），但隨著導電涂層的脫粘或剝離，纖維的導電性在變形時會迅速降低。

  （2） 不可清洗，基于織物尤其是智能服裝上的可穿戴電子設備需要定期清潔。然而，由于缺乏絕緣層或保護層，當前大多數的導電纖維不能清洗。例如，纖維上的導電涂層（例如金屬或石墨）在清洗過程中可能會發生破裂或被剝離。

  （3） 不具備與其他電子元件進行可靠集成的能力。當前，導電纖維和功能部件通過粘合劑、碳導電帶、銅帶和銀漿等進行連接，這些方法除了可靠性較低外還存在安全隱患。更關鍵的是，焊接在商業規模上占主導地位，并被建議作為一種集成可穿戴電子元件的可行方法，而通過上述方法開發的纖維難以應用于焊接。

  為此，課題組提出了一種新穎且簡便的方法來開發一種高導電、可拉伸的3D螺旋纖維材料，該導電纖維由聚氨酯纖維和微米級的細銅絲外包氰基丙烯酸酯粘合劑制成（圖1a-c）。有意思的是，通過調節聚氨酯纖維的預應變程度可以對最終形成的3D螺旋結構進行定制（直徑D和螺旋角α）。課題組使用了COMSOL Multiphysics軟件對螺旋纖維進行的模擬，當預應變從100％增加到400％時，螺旋D的直徑從1.4 mm減小到0.6 mm，得到的理論結果與實驗結果相吻合（圖1d-f）；此外文章還論述了銅絲的塑性應變與螺旋角α的關系。通過對3D結構的調節可以提高該材料與織物的組織結構嵌合效果，使其與布料的拉伸性能相適應。

圖1.復合導電纖維的制備方法與形態特征。（a）3D螺旋纖維的制造過程。（b-c）400％預應變導電纖維的螺旋形態和橫截面的SEM圖像。（d）預應變分別為100％，200％，300％和400％的導電纖維的光學照片與有限元模擬結果重疊。（e）預應變100％-400％的導電纖維的有限元模擬結果3D形態。（f）不同預應變和Cu纖維直徑的有限元模擬得到的螺旋直徑D和螺旋角α，并與D = 30 mm的實驗結果進行比較。

  該方法制備出的螺旋結構賦予了導電纖維優異的可拉伸性能，采用的導電組分為銅含量約為95%的直徑約30μm的銅合金絲，這使導電纖維具有了高電導率的優點，尤其是在經受超過200％-400％的應變時，其電導率比其他報告的纖維高出幾個數量級（圖2a-d）；為了驗證該導電纖維的耐水洗性能，課題組對纖維進行了超聲水洗測試（圖2e-g），并證明了該纖維的力學和電學性能具有水洗穩定性；此外，通過將導電纖維與PCB薄膜電路板進行焊接證明的該導電纖維具有可焊接的特性（圖2h）。

圖2.螺旋導電纖維的機械性能、電學穩定性和焊接性能。（a）16mm長的螺旋纖維，處于松弛狀態并被拉伸至65mm。（b）預應變100％-400％的3D螺旋纖維的應力-應變曲線。（c）預應變100％-400％的3D螺旋纖維隨應變的電阻變化曲線。（d）將本3D螺旋纖維在100％應變下的電導率和電阻與其他研究進行比較。（e）預應變200％的3D螺旋纖維經歷0到100分鐘的超聲清洗后的SEM圖像。（f）在不同的超聲清洗時間下，預應變200％的3D螺旋纖維的強度。（g）在不同的超聲波清洗時間下，預應變100％-400％的3D螺旋纖維的電阻變化。（h）三根預應變100%的3D螺旋纖維與柔性PCB電路板進行焊接。

  為了進一步驗證該導電纖維在織物上的應用效果，課題組結合傳統紡織技術織造出引入導電纖維的機織物（圖3a,b）和針織物（圖3c,d）,測試了引入導電纖維后對原布料性能的影響（圖3e,f）并且制作了一款可拉伸水洗的潛水照明護腕（圖4）。

圖3.引入3D螺旋纖維編織的織物。（a-b）引入3D螺旋纖維編織的機織物及其SEM圖像。（c-d）引入3D螺旋纖維編織的針織物及其SEM圖像。（e）導電纖維在針織物中的初始狀態和35％的應變拉伸。（f）在有或沒有引入導電纖維的情況下，針織物的力-應變曲線。

圖4. 引入3D螺旋纖維編織的LED彈性護腕性能（a）利用3D螺旋纖維作為導電纖維制造的可拉伸LED腕帶。（b）將腕帶浸入水中。（c）腕帶產生橫向35%應變。（d）在腕帶折皺的情況下LED正常發光。

  該研究利用預應變的彈性組分與導電組分結合的方法高效制備出了結構可調節的3D螺旋導電纖維，其中聚氨酯纖維應變釋放形成的3D螺旋結構提供了可拉伸性和編織時與織物結構嵌合的周期特征，而銅絲提供了高導電性和可焊性，外包的丙烯酸酯絕緣保護層則提供了結構穩定性和耐水洗性。

  該研究提供了一種真正適用于智能服裝的導電纖維材料的制備方法，兩個課題組正在把類似的方法應用于螺旋溫控纖維和傳感纖維，這種新型材料將會使可穿戴電子產品在醫療、運動、軍事等領域得到更加廣泛的應用。

  文章的共同第一作者為楊子航（五邑大學）和翟子銳（亞利桑那州立大學），通訊作者是巫瑩柱博士和姜漢卿教授，其他作者包括目前在深圳極展創業的宋澤銘博士（姜漢卿教授課題組）和巫瑩柱博士課題組的梁家豪、單穎法、鄭金仁及梁海朝。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907495