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五邑大学巫莹柱博士与亚利桑那州立大学姜汉卿教授合作《Adv. Mater.》:可穿戴耐水洗的3D螺旋导电纤维
2020-01-31  来源:高分子科技

  五邑大学纺织材料与工程学院巫莹柱博士课题组和美国亚利桑那州立大学航空与机械学院姜汉卿教授课题组合作,共同研发了一种适用于智能纺织品的高弹性,可水洗,可焊接的高导电纤维。该研究于2020年1月27日以题为“Conductive and Elastic 3D Helical Fibers for Use in Washable and Wearable Electronics”发表在知名期刊Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201907495)

  导电材料是构成电子智能纺织品的基础材料,目前已经有许多制造智能纺织品导电材料的方法,但是这些方法由于存在以下问题在一定程度上限制了他们的实际应用:

  (1) 柔性和导电性之间的平衡较差,虽然目前弹性导电纤维具有优秀的可拉伸性(可以产生超过1000%的应变),但随着导电涂层的脱粘或剥离,纤维的导电性在变形时会迅速降低。

  (2) 不可清洗,基于织物尤其是智能服装上的可穿戴电子设备需要定期清洁。然而,由于缺乏绝缘层或保护层,当前大多数的导电纤维不能清洗。例如,纤维上的导电涂层(例如金属或石墨)在清洗过程中可能会发生破裂或被剥离。

  (3) 不具备与其他电子元件进行可靠集成的能力。当前,导电纤维和功能部件通过粘合剂、碳导电带、铜带和银浆等进行连接,这些方法除了可靠性较低外还存在安全隐患。更关键的是,焊接在商业规模上占主导地位,并被建议作为一种集成可穿戴电子元件的可行方法,而通过上述方法开发的纤维难以应用于焊接。

  为此,课题组提出了一种新颖且简便的方法来开发一种高导电、可拉伸的3D螺旋纤维材料,该导电纤维由聚氨酯纤维和微米级的细铜丝外包氰基丙烯酸酯粘合剂制成(图1a-c)。有意思的是,通过调节聚氨酯纤维的预应变程度可以对最终形成的3D螺旋结构进行定制(直径D和螺旋角α)。课题组使用了COMSOL Multiphysics软件对螺旋纤维进行的模拟,当预应变从100%增加到400%时,螺旋D的直径从1.4 mm减小到0.6 mm,得到的理论结果与实验结果相吻合(图1d-f);此外文章还论述了铜丝的塑性应变与螺旋角α的关系。通过对3D结构的调节可以提高该材料与织物的组织结构嵌合效果,使其与布料的拉伸性能相适应。

图1。复合导电纤维的制备方法与形态特征。(a)3D螺旋纤维的制造过程。(b-c)400%预应变导电纤维的螺旋形态和横截面的SEM图像。(d)预应变分别为100%,200%,300%和400%的导电纤维的光学照片与有限元模拟结果重叠。(e)预应变100%-400%的导电纤维的有限元模拟结果3D形态。(f)不同预应变和Cu纤维直径的有限元模拟得到的螺旋直径D和螺旋角α,并与D = 30 mm的实验结果进行比较。

  该方法制备出的螺旋结构赋予了导电纤维优异的可拉伸性能,采用的导电组分为铜含量约为95%的直径约30μm的铜合金丝,这使导电纤维具有了高电导率的优点,尤其是在经受超过200%-400%的应变时,其电导率比其他报告的纤维高出几个数量级(图2a-d);为了验证该导电纤维的耐水洗性能,课题组对纤维进行了超声水洗测试(图2e-g),并证明了该纤维的力学和电学性能具有水洗稳定性;此外,通过将导电纤维与PCB薄膜电路板进行焊接证明的该导电纤维具有可焊接的特性(图2h)。

图2.螺旋导电纤维的机械性能、电学稳定性和焊接性能。(a)16mm长的螺旋纤维,处于松弛状态并被拉伸至65mm。(b)预应变100%-400%的3D螺旋纤维的应力-应变曲线。(c)预应变100%-400%的3D螺旋纤维随应变的电阻变化曲线。(d)将本3D螺旋纤维在100%应变下的电导率和电阻与其他研究进行比较。(e)预应变200%的3D螺旋纤维经历0到100分钟的超声清洗后的SEM图像。(f)在不同的超声清洗时间下,预应变200%的3D螺旋纤维的强度。(g)在不同的超声波清洗时间下,预应变100%-400%的3D螺旋纤维的电阻变化。(h)三根预应变100%的3D螺旋纤维与柔性PCB电路板进行焊接。

  为了进一步验证该导电纤维在织物上的应用效果,课题组结合传统纺织技术织造出引入导电纤维的机织物(图3a,b)和针织物(图3c,d),测试了引入导电纤维后对原布料性能的影响(图3e,f)并且制作了一款可拉伸水洗的潜水照明护腕(图4)。

图3.引入3D螺旋纤维编织的织物。(a-b)引入3D螺旋纤维编织的机织物及其SEM图像。(c-d)引入3D螺旋纤维编织的针织物及其SEM图像。(e)导电纤维在针织物中的初始状态和35%的应变拉伸。(f)在有或没有引入导电纤维的情况下,针织物的力-应变曲线。

图4. 引入3D螺旋纤维编织的LED弹性护腕性能(a)利用3D螺旋纤维作为导电纤维制造的可拉伸LED腕带。(b)将腕带浸入水中。(c)腕带产生横向35%应变。(d)在腕带折皱的情况下LED正常发光。

  该研究利用预应变的弹性组分与导电组分结合的方法高效制备出了结构可调节的3D螺旋导电纤维,其中聚氨酯纤维应变释放形成的3D螺旋结构提供了可拉伸性和编织时与织物结构嵌合的周期特征,而铜丝提供了高导电性和可焊性,外包的丙烯酸酯绝缘保护层则提供了结构稳定性和耐水洗性。

  该研究提供了一种真正适用于智能服装的导电纤维材料的制备方法,两个课题组正在把类似的方法应用于螺旋温控纤维和传感纤维,这种新型材料将会使可穿戴电子产品在医疗、运动、军事等领域得到更加广泛的应用。

  文章的共同第一作者为杨子航(五邑大学)和翟子锐(亚利桑那州立大学),通讯作者是巫莹柱博士姜汉卿教授,其他作者包括目前在深圳极展创业的宋泽铭博士(姜汉卿教授课题组)和巫莹柱博士课题组的梁家豪、单颖法、郑金仁梁海朝

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(责任编辑:xu)
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