導電纖維在智能可穿戴領域中的應用進展研究

陸銀霞

（浙江紡織服裝職業技術學院，浙江寧波 315000）

隨著智能可穿戴領域的發展日漸成熟，智能定位手表、運動監測手環及壓力傳感運動鞋墊等被越來越多的消費者接受，但是大部分產品都存在材料質感較硬導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域的新寵，多種經特殊功能整理的紡織材料被廣泛應用于智能可穿戴產品設計［3-4］。導電纖維不僅能直接用于智能可穿戴產品設計，還能通過再加工生成功能紡織材料［5］。高性能導電纖維的開發對整個智能可穿戴領域發展意義重大。本文通過查閱近幾年相關研究成果，總結導電纖維的種類、制備、優缺點及在拉伸傳感、壓力傳感、超級電容器、發熱織帶領域的應用，展望導電纖維在智能可穿戴領域的應用前景。

1 導電纖維的種類及制備

導電纖維指在標準狀態下電導率高于10-7S/cm的纖維，按導電物質在纖維中的分布情況可分為均一型、包覆型和復合型3大類，具體如表1所示［6-7］。

表1 導電纖維的分類、電導率及代表產品［7］

1.1 均一型

均一型導電纖維由金屬（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，其中金屬纖維因導電性優良被最先應用于智能可穿戴器件。東華大學的李喬［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，易導致導電性能不穩定，在實際應用中經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行銅絲刻蝕，獲得石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯復合中空纖維，再用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯制備石墨烯中空纖維，最后用聚乙烯醇進行涂層，制備具有皮芯結構的石墨烯纖維（見圖1）。

圖1 石墨烯中空纖維制備示意圖

該纖維斷裂伸長率高達16%，電導率為96 S/cm，拉伸應變傳感性能較好，但制備工藝復雜，目前還難以產業化。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行靜電紡絲，得到平均直徑約為370 nm、電導率為52.9 S/cm 的聚苯胺纖維。該纖維電致變色性能良好，被應用于電變色器件，但對制備操作安全要求較高。

除了上述幾種導電纖維外，不銹鋼纖維、銀纖維及碳纖維等也是常用的均一型導電纖維。總體而言，均一型導電纖維導電性優異且耐水洗牢度高，但耐反復疲勞性差且只能發生有限形變，在智能可穿戴領域應用非常有限。

1.2 包覆型

包覆型導電纖維通過浸漬、噴涂、化學鍍及電鍍等方法將導電物質包覆在纖維表面。浸漬法因工藝簡單成為最常用的制備方法。Hong 等［11］將聚乙烯長絲反復浸漬在酸性聚苯胺溶液中，在過硫酸銨的引發下原位聚合生成聚乙烯@聚苯胺導電纖維，電導率為（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溶液，用浸漬法制備導電纖維，取得了一系列研究成果，但是導電物質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 公司成功開發出一種單晶納米導電油墨，可通過噴涂方式實現在基材上的均勻分布［12］。Wei 等［13］在預牽伸的氨綸纖維表面噴涂銀納米線油墨，氨綸纖維回復后得到表面均勻且有褶皺狀微結構層的導電纖維（見圖2）。該方法基本不受纖維基材限制，可滿足不同領域制備導電纖維的需要。除了浸漬和噴涂外，在纖維表面鍍導電金屬也是相對成熟的技術之一。崔旭等［14］將錦綸纖維通過化學還原進行表面鍍銀，鍍銀錦綸導電層均勻致密，導電性良好（電導率最大為7.14 S/cm）。這得益于錦綸長絲表面的極性基團與鍍銀導電層之間較好的飽和性，但化學還原鍍銀過程會產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電膜，減少對環境的污染，但銀與纖維結合力較弱。包覆型導電纖維的導電性較好、種類較多且制備方法多樣，在智能可穿戴領域應用較多，提高導電物質與纖維的結合牢度是目前研究的重點內容。

圖2 AgNW 包覆PU 導電纖維制備示意圖及數碼照片

1.3 復合型

復合型導電纖維由導電物質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 復合導電纖維膜，PANI 質量分數為10%時，電導率為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MWCNT 質量分數為3%時，電導率為3×10-2S/cm，且最大伸長為10%時循環使用15 次后仍保持較好的導電性。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，用水合肼原位生長銀納米顆粒，制備可實現900%拉伸的高導電纖維復合材料，電導率最大為2.45×103S/cm（見圖3），可嵌入智能手套中用于檢測手語和感知人體運動。上述方法制備的導電復合纖維導電性好、牢度高、耐水洗，可實現較大拉伸變形，有效解決了均一型和包覆型導電纖維存在的問題［18］。靜電紡絲導電纖維因對原料選擇要求較高且生產效率較低，在實際生產中的應用非常有限。熔融紡絲和濕法紡絲制備導電纖維的工藝相對簡單還可以實現產業化生產，已成為制備復合導電纖維最有應用前景的方法。

圖3 SBS/AgNW 復合纖維制備示意圖

2 導電纖維在智能可穿戴領域中的應用［19-20］

2.1 拉伸應變傳感器

拉伸應變傳感器是將拉伸變形信號轉換成某種可用信號進行輸出的器件，在運動姿勢、表情監控及智能手套領域得到廣泛應用（見圖4）。

圖4 導電纖維及其集合體在應變傳感器中的應用

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手指，通過電阻變化改變輸出電壓檢測各種手指姿勢變化。該智能手套可通過預先定義的手勢表達手語，例如美國手語（ASL）字母中“S”“K”“U”“C”和“A”都可以用相應的手勢進行模仿，體現較好的人機交互應用前景。但ASL 字符模擬都是在靜止狀態下進行，動態的手語字母模擬仍需進一步研究。Gao 等［22］利用同軸濕法紡絲原理成功制備導電的中空碳納米管/熱塑性聚氨酯纖維，然后將其作為拉伸應變傳感器用于監測人體運動姿勢。測試發現，該拉伸應變傳感器在拉伸變形350%的狀態下，應變儀靈敏度系數高達166.7，且可以實現超過10 000 次重復測試，較高的靈敏度和耐久性可滿足人體運動監測需要。雖然該纖維還處于實驗階段，但其產業化前景廣闊，將該纖維編織成織帶或與服裝一體化將有助于拓展應用領域。

2.2 壓力傳感器

壓力傳感器將受壓變形信號轉換成某種可用信號進行輸出，是較多智能可穿戴產品的核心部件［23］。由導電紡織材料制備的壓力傳感器在心電監控、娛樂消遣、疾病診斷和患者康復等領域都有應用。Jiang等［24］利用濕法紡絲和真空過濾相結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控呼吸（見圖5a）。Choi 等［25］制備了一種具有層次性微毛結構的導電纖維傳感器，將其與手套結合實現人機界面的實際應用，如通過按壓纖維傳感器控制電腦游戲（見圖5b）。導電纖維及其集合體構建的壓力傳感器可準確感知較大壓力變化，但是針對心電監控這樣感知微小壓力變化的應用仍面臨靈敏度低和穩定性差的困境。壓力傳感器性能及該器件與人體皮膚接觸狀態是最重要的影響因素，尤其當壓力傳感器性能一定，兩者緊密接觸時監測到的信號相對精準，反之則較差。所以，加強壓力傳感器與皮膚的貼服也是該領域重要的研究內容。田明偉等［23］提出利用高導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收集效果。

圖5 導電纖維及其集合體在壓力傳感器中的應用

2.3 柔性超級電容器

柔性超級電容器是一類具有復合快速充放電、高功率密度且較長使用壽命等功能的柔性儲能器件［26］。該領域的研究工作主要集中在提高儲能密度、增強柔性變形上，已經取得了豐碩成果。中國科學院張躍鋼團隊［27］結合靜電紡絲技術和高溫熱解技術，在一維碳纖維上垂直生長碳管，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，比容量達到70.7 Wh/kg，在充放電循環20 000 次后比容量保持率為97%。暨南大學的麥文杰團隊［28］將纖維狀超級電容器與纖維狀染料敏化太陽能電池共同編織成服裝面料，穿著此面料外出可利用太陽能電池模塊采集太陽光，并將其轉換成電能儲存（見圖6）。該面料不僅保證了電容器的儲能效果，還保持了面料的透氣舒適性，為可穿戴能量儲存器件的一體化設計提供新思路。

圖6 導電纖維應用于太陽能采集和能量存儲服裝設計［28］

2.4 發熱織帶

發熱織帶是利用導電纖維加壓時發熱原理開發的保健產品［29］。研究人員將水性石墨烯油墨與纖維原絲結合制備電熱性能良好的材料。還有研究團隊利用光波增強技術有效提高石墨烯的遠紅外光波轉化率，制備的發熱織帶電熱轉換損失僅為1%［30］。市場上發熱織帶產品較多且制造技術較為成熟，如濟南圣泉集團將石墨烯嵌入纖維結構后織成發熱面料，實現在較低電壓（4 V 左右）下實時控制織帶升溫速率及溫度的功能，還可提供一定的遠紅外輔助治療功能。但由于發熱織帶制備技術門檻較低且缺乏國家安全標準，需要更加重視導電材料的安全性［31］。

3 結語

近10 年來，導電纖維材料的研究取得了突破性進展，不僅實現了制備方法的多樣化，還顯著提升了材料的綜合性能。形式多樣的導電纖維被應用在智能可穿戴器件中，展現出廣闊的應用前景，但仍存在部分較為突出的問題：大部分均一型導電纖維耐疲勞性差且只能發生有限形變；包覆型導電纖維上導電物質的牢度有待增強；靜電紡絲導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合導電纖維因可實現高彈性、大形變、牢度高及工藝可產業化等優點，將成為更有前途的智能可穿戴器件用材料。拉伸應變傳感器、壓力傳感器、柔性超級電容器和發熱織帶作為智能可穿戴器件的典型代表，因應用領域不同，對導電纖維材料的選擇存在差異。拉伸應變傳感器和壓力傳感器更看重導電纖維的導電性、高彈性及導電穩定性，柔性超級電容器和發熱織帶用導電纖維則分別需要具備較高的贗電容和發熱效率。部分智能可穿戴器件直接接觸人體，導電纖維安全性值得關注。同時需要不斷制定與完善導電纖維及智能可穿戴產品質量評定統一標準。