陸銀霞

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315000）

隨著智能可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展日漸成熟，智能定位手表、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)手環(huán)及壓力傳感運(yùn)動(dòng)鞋墊等被越來越多的消費(fèi)者接受，但是大部分產(chǎn)品都存在材料質(zhì)感較硬導(dǎo)致穿戴舒適性差的問題［1-2］。紡織材料因良好的服用性及可加工性成為智能可穿戴領(lǐng)域的新寵，多種經(jīng)特殊功能整理的紡織材料被廣泛應(yīng)用于智能可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)［3-4］。導(dǎo)電纖維不僅能直接用于智能可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還能通過再加工生成功能紡織材料［5］。高性能導(dǎo)電纖維的開發(fā)對(duì)整個(gè)智能可穿戴領(lǐng)域發(fā)展意義重大。本文通過查閱近幾年相關(guān)研究成果，總結(jié)導(dǎo)電纖維的種類、制備、優(yōu)缺點(diǎn)及在拉伸傳感、壓力傳感、超級(jí)電容器、發(fā)熱織帶領(lǐng)域的應(yīng)用，展望導(dǎo)電纖維在智能可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 導(dǎo)電纖維的種類及制備

導(dǎo)電纖維指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電導(dǎo)率高于10-7S/cm的纖維，按導(dǎo)電物質(zhì)在纖維中的分布情況可分為均一型、包覆型和復(fù)合型3大類，具體如表1所示［6-7］。

表1 導(dǎo)電纖維的分類、電導(dǎo)率及代表產(chǎn)品［7］

1.1 均一型

均一型導(dǎo)電纖維由金屬（鎳、鎢、銅、銀、鉑及鐵等）、納米碳（石墨烯、碳納米管及炭黑等）和導(dǎo)電高分子（聚乙炔和聚苯胺等）直接加工而成，其中金屬纖維因?qū)щ娦詢?yōu)良被最先應(yīng)用于智能可穿戴器件。東華大學(xué)的李喬［8］將感溫鉑金屬纖維作為部分紗線織入織物，增加紡織產(chǎn)品自身的感溫性能，但是金屬纖維彈性低，耐折疊性較差，易導(dǎo)致導(dǎo)電性能不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常與其他纖維混合以提升綜合性能。王曉娜等［9］以銅絲為模板，通過氣相沉積在其表面生成石墨烯納米層，用4%的聚甲基丙烯酸甲酯包覆后進(jìn)行銅絲刻蝕，獲得石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合中空纖維，再用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯制備石墨烯中空纖維，最后用聚乙烯醇進(jìn)行涂層，制備具有皮芯結(jié)構(gòu)的石墨烯纖維（見圖1）。

圖1 石墨烯中空纖維制備示意圖

該纖維斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)16%，電導(dǎo)率為96 S/cm，拉伸應(yīng)變傳感性能較好，但制備工藝復(fù)雜，目前還難以產(chǎn)業(yè)化。Yu 等［10］將聚苯胺與熱硫酸混合配制成紡絲液，以稀硫酸作為凝固浴進(jìn)行靜電紡絲，得到平均直徑約為370 nm、電導(dǎo)率為52.9 S/cm 的聚苯胺纖維。該纖維電致變色性能良好，被應(yīng)用于電變色器件，但對(duì)制備操作安全要求較高。

除了上述幾種導(dǎo)電纖維外，不銹鋼纖維、銀纖維及碳纖維等也是常用的均一型導(dǎo)電纖維?？傮w而言，均一型導(dǎo)電纖維導(dǎo)電性優(yōu)異且耐水洗牢度高，但耐反復(fù)疲勞性差且只能發(fā)生有限形變，在智能可穿戴領(lǐng)域應(yīng)用非常有限。

1.2 包覆型

包覆型導(dǎo)電纖維通過浸漬、噴涂、化學(xué)鍍及電鍍等方法將導(dǎo)電物質(zhì)包覆在纖維表面。浸漬法因工藝簡(jiǎn)單成為最常用的制備方法。Hong 等［11］將聚乙烯長(zhǎng)絲反復(fù)浸漬在酸性聚苯胺溶液中，在過硫酸銨的引發(fā)下原位聚合生成聚乙烯@聚苯胺導(dǎo)電纖維，電導(dǎo)率為（0.87±0.10）S/cm。研究人員還嘗試用炭黑、吡咯及氧化石墨烯等配制成電解質(zhì)溶液，用浸漬法制備導(dǎo)電纖維，取得了一系列研究成果，但是導(dǎo)電物質(zhì)在纖維上分布不均勻及易脫落是目前需要解決的問題。PV Nano Cell 公司成功開發(fā)出一種單晶納米導(dǎo)電油墨，可通過噴涂方式實(shí)現(xiàn)在基材上的均勻分布［12］。Wei 等［13］在預(yù)牽伸的氨綸纖維表面噴涂銀納米線油墨，氨綸纖維回復(fù)后得到表面均勻且有褶皺狀微結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)電纖維（見圖2）。該方法基本不受纖維基材限制，可滿足不同領(lǐng)域制備導(dǎo)電纖維的需要。除了浸漬和噴涂外，在纖維表面鍍導(dǎo)電金屬也是相對(duì)成熟的技術(shù)之一。崔旭等［14］將錦綸纖維通過化學(xué)還原進(jìn)行表面鍍銀，鍍銀錦綸導(dǎo)電層均勻致密，導(dǎo)電性良好（電導(dǎo)率最大為7.14 S/cm）。這得益于錦綸長(zhǎng)絲表面的極性基團(tuán)與鍍銀導(dǎo)電層之間較好的飽和性，但化學(xué)還原鍍銀過程會(huì)產(chǎn)生含重金屬離子的廢液。電鍍銀是利用電流將銀離子還原，均勻沉積在纖維表面形成導(dǎo)電膜，減少對(duì)環(huán)境的污染，但銀與纖維結(jié)合力較弱。包覆型導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性較好、種類較多且制備方法多樣，在智能可穿戴領(lǐng)域應(yīng)用較多，提高導(dǎo)電物質(zhì)與纖維的結(jié)合牢度是目前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

圖2 AgNW 包覆PU 導(dǎo)電纖維制備示意圖及數(shù)碼照片

1.3 復(fù)合型

復(fù)合型導(dǎo)電纖維由導(dǎo)電物質(zhì)與紡絲液均勻混合紡絲制得，常用的制備方法有靜電紡絲、熔融紡絲及濕法紡絲等。李博弘等［15］將聚酰胺酸（PAA）和聚苯胺（PANI）按一定比例混合配制PAA/PANI 紡絲液，靜電紡絲成PAA/PANI 纖維后加熱，通過亞胺化得到聚酰亞胺（PI）/PANI 復(fù)合導(dǎo)電纖維膜，PANI 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，電導(dǎo)率為9.26×10-3S/cm。Bilotti 等［16］將多壁碳納米管（MWCNT）與熱塑性聚氨酯（TPU）熔融混合均勻后紡絲，當(dāng)MWCNT 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，電導(dǎo)率為3×10-2S/cm，且最大伸長(zhǎng)為10%時(shí)循環(huán)使用15 次后仍保持較好的導(dǎo)電性。Lee 等［17］以彈性體（SBS）和銀納米線混合溶液采用濕法紡絲成纖維，以AgCF3CO2為前軀體將纖維浸漬后取出，用水合肼原位生長(zhǎng)銀納米顆粒，制備可實(shí)現(xiàn)900%拉伸的高導(dǎo)電纖維復(fù)合材料，電導(dǎo)率最大為2.45×103S/cm（見圖3），可嵌入智能手套中用于檢測(cè)手語(yǔ)和感知人體運(yùn)動(dòng)。上述方法制備的導(dǎo)電復(fù)合纖維導(dǎo)電性好、牢度高、耐水洗，可實(shí)現(xiàn)較大拉伸變形，有效解決了均一型和包覆型導(dǎo)電纖維存在的問題［18］。靜電紡絲導(dǎo)電纖維因?qū)υ线x擇要求較高且生產(chǎn)效率較低，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用非常有限。熔融紡絲和濕法紡絲制備導(dǎo)電纖維的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，已成為制備復(fù)合導(dǎo)電纖維最有應(yīng)用前景的方法。

圖3 SBS/AgNW 復(fù)合纖維制備示意圖

2 導(dǎo)電纖維在智能可穿戴領(lǐng)域中的應(yīng)用［19-20］

2.1 拉伸應(yīng)變傳感器

拉伸應(yīng)變傳感器是將拉伸變形信號(hào)轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)進(jìn)行輸出的器件，在運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)、表情監(jiān)控及智能手套領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（見圖4）。

圖4 導(dǎo)電纖維及其集合體在應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用

Eom 等［21］采用原位聚合法將PEDOT 包覆在聚苯乙烯（PS）纖維上，再將該材料嵌入手套的各個(gè)手指，通過電阻變化改變輸出電壓檢測(cè)各種手指姿勢(shì)變化。該智能手套可通過預(yù)先定義的手勢(shì)表達(dá)手語(yǔ)，例如美國(guó)手語(yǔ)（ASL）字母中“S”“K”“U”“C”和“A”都可以用相應(yīng)的手勢(shì)進(jìn)行模仿，體現(xiàn)較好的人機(jī)交互應(yīng)用前景。但ASL 字符模擬都是在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，動(dòng)態(tài)的手語(yǔ)字母模擬仍需進(jìn)一步研究。Gao 等［22］利用同軸濕法紡絲原理成功制備導(dǎo)電的中空碳納米管/熱塑性聚氨酯纖維，然后將其作為拉伸應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該拉伸應(yīng)變傳感器在拉伸變形350%的狀態(tài)下，應(yīng)變儀靈敏度系數(shù)高達(dá)166.7，且可以實(shí)現(xiàn)超過10 000 次重復(fù)測(cè)試，較高的靈敏度和耐久性可滿足人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)需要。雖然該纖維還處于實(shí)驗(yàn)階段，但其產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，將該纖維編織成織帶或與服裝一體化將有助于拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 壓力傳感器

壓力傳感器將受壓變形信號(hào)轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)進(jìn)行輸出，是較多智能可穿戴產(chǎn)品的核心部件［23］。由導(dǎo)電紡織材料制備的壓力傳感器在心電監(jiān)控、娛樂消遣、疾病診斷和患者康復(fù)等領(lǐng)域都有應(yīng)用。Jiang等［24］利用濕法紡絲和真空過濾相結(jié)合得到氧化石墨烯纖維集合體，用水合肼還原后澆筑聚二甲基硅氧烷（PDMS）得到壓力傳感器件監(jiān)控呼吸（見圖5a）。Choi 等［25］制備了一種具有層次性微毛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維傳感器，將其與手套結(jié)合實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的實(shí)際應(yīng)用，如通過按壓纖維傳感器控制電腦游戲（見圖5b）。導(dǎo)電纖維及其集合體構(gòu)建的壓力傳感器可準(zhǔn)確感知較大壓力變化，但是針對(duì)心電監(jiān)控這樣感知微小壓力變化的應(yīng)用仍面臨靈敏度低和穩(wěn)定性差的困境。壓力傳感器性能及該器件與人體皮膚接觸狀態(tài)是最重要的影響因素，尤其當(dāng)壓力傳感器性能一定，兩者緊密接觸時(shí)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)相對(duì)精準(zhǔn)，反之則較差。所以，加強(qiáng)壓力傳感器與皮膚的貼服也是該領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容。田明偉等［23］提出利用高導(dǎo)電彈性纖維直接編織成壓力傳感器有望提升壓力傳感器的信號(hào)收集效果。

圖5 導(dǎo)電纖維及其集合體在壓力傳感器中的應(yīng)用

2.3 柔性超級(jí)電容器

柔性超級(jí)電容器是一類具有復(fù)合快速充放電、高功率密度且較長(zhǎng)使用壽命等功能的柔性儲(chǔ)能器件［26］。該領(lǐng)域的研究工作主要集中在提高儲(chǔ)能密度、增強(qiáng)柔性變形上，已經(jīng)取得了豐碩成果。中國(guó)科學(xué)院張躍鋼團(tuán)隊(duì)［27］結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和高溫?zé)峤饧夹g(shù)，在一維碳纖維上垂直生長(zhǎng)碳管，制備了三維柔性碳電極材料。該材料組裝的柔性電容器在電流密度0.5 A/g、電壓4 V 的條件下，比容量達(dá)到70.7 Wh/kg，在充放電循環(huán)20 000 次后比容量保持率為97%。暨南大學(xué)的麥文杰團(tuán)隊(duì)［28］將纖維狀超級(jí)電容器與纖維狀染料敏化太陽(yáng)能電池共同編織成服裝面料，穿著此面料外出可利用太陽(yáng)能電池模塊采集太陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存（見圖6）。該面料不僅保證了電容器的儲(chǔ)能效果，還保持了面料的透氣舒適性，為可穿戴能量?jī)?chǔ)存器件的一體化設(shè)計(jì)提供新思路。

圖6 導(dǎo)電纖維應(yīng)用于太陽(yáng)能采集和能量存儲(chǔ)服裝設(shè)計(jì)［28］

2.4 發(fā)熱織帶

發(fā)熱織帶是利用導(dǎo)電纖維加壓時(shí)發(fā)熱原理開發(fā)的保健產(chǎn)品［29］。研究人員將水性石墨烯油墨與纖維原絲結(jié)合制備電熱性能良好的材料。還有研究團(tuán)隊(duì)利用光波增強(qiáng)技術(shù)有效提高石墨烯的遠(yuǎn)紅外光波轉(zhuǎn)化率，制備的發(fā)熱織帶電熱轉(zhuǎn)換損失僅為1%［30］。市場(chǎng)上發(fā)熱織帶產(chǎn)品較多且制造技術(shù)較為成熟，如濟(jì)南圣泉集團(tuán)將石墨烯嵌入纖維結(jié)構(gòu)后織成發(fā)熱面料，實(shí)現(xiàn)在較低電壓（4 V 左右）下實(shí)時(shí)控制織帶升溫速率及溫度的功能，還可提供一定的遠(yuǎn)紅外輔助治療功能。但由于發(fā)熱織帶制備技術(shù)門檻較低且缺乏國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，需要更加重視導(dǎo)電材料的安全性［31］。

3 結(jié)語(yǔ)

近10 年來，導(dǎo)電纖維材料的研究取得了突破性進(jìn)展，不僅實(shí)現(xiàn)了制備方法的多樣化，還顯著提升了材料的綜合性能。形式多樣的導(dǎo)電纖維被應(yīng)用在智能可穿戴器件中，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但仍存在部分較為突出的問題：大部分均一型導(dǎo)電纖維耐疲勞性差且只能發(fā)生有限形變；包覆型導(dǎo)電纖維上導(dǎo)電物質(zhì)的牢度有待增強(qiáng)；靜電紡絲導(dǎo)電纖維制備工藝要求較高等。熔融紡絲和濕法紡絲制備的復(fù)合導(dǎo)電纖維因可實(shí)現(xiàn)高彈性、大形變、牢度高及工藝可產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，將成為更有前途的智能可穿戴器件用材料。拉伸應(yīng)變傳感器、壓力傳感器、柔性超級(jí)電容器和發(fā)熱織帶作為智能可穿戴器件的典型代表，因應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)導(dǎo)電纖維材料的選擇存在差異。拉伸應(yīng)變傳感器和壓力傳感器更看重導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性、高彈性及導(dǎo)電穩(wěn)定性，柔性超級(jí)電容器和發(fā)熱織帶用導(dǎo)電纖維則分別需要具備較高的贗電容和發(fā)熱效率。部分智能可穿戴器件直接接觸人體，導(dǎo)電纖維安全性值得關(guān)注。同時(shí)需要不斷制定與完善導(dǎo)電纖維及智能可穿戴產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。