導電纖維在新型紡織品中的應用進展

謝金林　張京　郭宇星　趙志慧　邱華　顧鵬

摘 要：近年來隨著科技的發展以及人類生活水平的提升，以導電纖維/紗線為原料織造而成的現代新型紡織品在抗靜電、電磁屏蔽、傳感等領域得到了巨大的進展。然而由于傳統金屬導電纖維手感差及傳統碳纖維難以進行色彩再加工等原因，限制了傳統導電纖維在現代紡織品尤其是智能紡織品上的發展與應用。結合近年來國內外導電纖維領域的研究成果，從導電纖維的分類、制備方法、應用等幾個角度出發，綜述了導電纖維在新型紡織品中的應用進展。文章將導電纖維分成無機導電纖維、有機導電纖維和復合導電纖維等三大類，介紹了導電纖維的制備方法，如紡絲法、涂覆導電層法等；然后著重介紹了導電纖維在抗靜電、抗電磁輻射和纖維基柔性傳感器中的應用；最后，文章總結了導電纖維近年來的發展和應用趨勢，并指出其在發展中面臨的亟待解決的問題。期望導電纖維不僅在傳統的抗靜電、抗輻射領域發揮作用，而且能與物理、電子等學科進行交叉，在智能可穿戴電子器件、柔性能源存儲及多功能紡織品等領域廣泛應用。

關鍵詞：導電纖維；柔性纖維；抗靜電；電磁屏蔽；智能可穿戴設備

中圖分類號：TS102.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2023）06-0241-14

隨著現代科學技術的不斷發展和人類生活品質的不斷改善，紡織品的保暖、蔽體、美觀等作用已經無法滿足人們日益增長的需求，許多功能性紡織品順時而生。為了提高紡織品的附加值，市場對多功能、新穎、高附加值的纖維需求量很大。近年來，隨著智能穿戴的興起與航空航天特種裝備的發展，導電纖維的研究與開發逐漸成為研究的熱點與焦點。導電纖維可用于傳感器、防靜電服裝、電磁干擾屏蔽面料、信號傳輸和交互紡織品中，用導電纖維制得的導電紡織品因為其優良的抗靜電、抗電磁輻射性能而深受市場的喜愛。因此，導電紡織品不僅在紡織行業，而且在電子制造、汽車工業、軍工等領域都有廣泛的應用前景。

導電纖維一般指在20℃、相對濕度65%的條件下電阻率小于107 Ω·cm的纖維，是功能性纖維里的一個重要品種［1］。20世紀中葉，隨著科技的發展和電子產品的革新換代，靜電對人類生產生活的影響凸顯，人們逐漸重視其對身體健康的負面影響，并開始將視線轉移到開發抗靜電纖維上來，因此世界上第一種金屬導電纖維-美國“Brunsmet”由此應運而生。而中國最早的導電纖維是1983年由長沙礦冶研究院率先研發出來的不銹鋼纖維［2］。金屬導電纖維以不銹鋼、銅、鋁等金屬為導電原料，將金屬絲從模具中反復拉伸制得。然而，金屬導電纖維有著較多的缺點：與其他纖維混紡時抱合力差、加工困難且制成的紡織品手感差；同時在生產極細單絲時生產成本高，制成的紡織品性能差。而后又出現了碳纖維，碳纖維一般是以腈綸、粘膠、瀝青纖維為原絲，經過碳化或石墨化處理后制得的導電纖維，導電性能優良。但因其價格高并不適合普通的防靜電織物方面的應用。因此，科研人員正持續地對新型導電纖維進行研究探索。目前，制備導電纖維的較為合理且研究量較大的方式是在纖維的表面涂上一層導電皮層，或者將導電物質與成纖高聚物共混或復合紡絲。本文綜述了導電纖維材料的分類、制備方法及其導電纖維在紡織品加工中的應用，并對現階段導電纖維的應用和發展提出了展望。

1 導電纖維材料

1.1 導電纖維的分類

1.1.1 無機導電纖維

無機導電纖維主要分為金屬導電纖維和無機非金屬導電纖維。金屬導電纖維是由一根不銹鋼絲經過模具的反復拉伸而制得的，具有良好的導電性，其電阻率可達10-4～10-5 Ω·cm［3］。除不銹鋼之外，其他的金屬元素如銅、鋁等也是很好的制造金屬導電纖維的原料，他們的導電性、耐熱和抗化學侵蝕性都十分優異。金屬導電纖維自身的導電性能、導磁性能、耐高溫性能以及導熱性能都十分優良，在與其他普通纖維進行混紡時，可使混紡紗具有抗靜電、抗電磁輻射和抗菌功能。但是這種模具拉伸法制得的金屬導電纖維存在缺陷：在與其他纖維混紡時，抱合力差，易斷裂，制成的織物手感差，服用性能差；這些缺點限制了其應用和發展。為了減少上述缺點在紡織品生產中造成的不良影響，德國紡織機械和高性能材料技術研究所（ITM）綜合考慮到金屬纖維的高剛性和高脆性，在傳統紡紗工藝的基礎上，開發出了以刨花金屬短纖維為原料，集拉伸、紡紗過程于一體的紡紗工藝鏈來生產純金屬紗線，這種方法一定程度上改善了織物的手感和服用性能，延伸了金屬纖維的應用范圍［4］。

另一種常見的無機導電纖維——無機非金屬導電纖維，主要是指碳纖維。導電碳纖維主要是以腈綸、粘膠等纖維為原絲，經過碳化、石墨化等處理而制成的一種新型的纖維狀材料。碳纖維既具有碳材料導電的特性，又具備纖維的柔軟性和可紡性。而且碳纖維是電阻的負溫度系數導體，相對濕度對其導電性的影響不大；同時碳纖維導電成分均一，具有強度高、導電性好、耐熱、耐腐蝕等優點［5-6］。碳纖維由于其質輕高強、優異的導電性、高模量等特點，一般作為復合材料中的編織增強組分，與金屬、陶瓷、樹脂等進行復合，用于對傳統金屬、金屬合金的輕量化替代，大規模應用主要有自行車車架、汽車零部件。但是碳纖維價格昂貴，不適宜大規模的衣物生產。且碳纖維的顏色為黑色，難以進行色彩的再加工，無法滿足紡織品色彩多樣化的需求。因此，碳纖維在紡織品領域應用受限。

1.1.2 有機導電纖維

有機導電纖維主要為導電聚合物類纖維，通常由導電聚合物本身紡絲成型，不需要復雜的導電物質摻雜。1977年，日本筑波大學的白川英樹（Shirakawa）課題組在合成聚乙炔薄膜時由于操作失誤，加入過量催化劑而合成得到了高取向順式聚乙炔。隨后，白川英樹與美國化學家Heeger及MacDiarmid合作發現經五氟化砷摻雜后的聚乙炔具有良好的導電性，電導率可達103 S/cm，達到了金屬級別。由此，導電聚合物的發現開創了有機導電纖維的新紀元。聚乙炔是最早被系統性研究的一類導電聚合物，隨后， 聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等導電高分子被廣泛研究［7］。一般情況下，由于導電高分子的熔點高于其分解溫度，因而不能用熔融紡絲法制備，主要使用溶液紡絲法。導電纖維的性能與聚合物本身的相對分子質量、溶解性、紡絲成型方法和摻雜方法等有關。

聚吡咯是一種雜環共軛型導電聚合物，導電聚吡咯具有共軛鏈氧化、對應陰離子摻雜結構，其電導率可達102～103 S/cm，拉伸強度可達50～100 MPa，其還具有良好的生物相容性、快速可逆的氧化還原反應以及高能量負載等優點，是一種優良的導電材料［8］。聚吡咯可由吡咯單體通過化學氧化法或者電化學方法制得。聚噻吩也是一種常見的導電聚合物，其制備過程簡單，且具有良好的穩定性和電化學性能而受到研究者們的廣泛關注，其合成方法有化學氧化聚合法、電化學聚合法、光電化學沉積法等［9］。相比其他高聚物，聚噻吩具有更好的環境穩定性，不會降解為有害物質，較為安全環保。聚噻吩的導電原理由摻雜和共軛體系實現，其主要摻雜類型有兩種：P型摻雜與N型摻雜。經摻雜后的聚噻吩，其電導率大大提高。聚吡咯和聚噻吩都可通過溶液紡絲法直接制成導電纖維。

相比于聚吡咯和聚噻吩纖維，聚苯胺纖維是研究最為廣泛的導電聚合物纖維。聚苯胺是一種帶有共軛雙鍵的結構型導電聚合物。具有合成方法簡單、化學穩定性和熱穩定性好、電導率高和電化學性能好，在抗靜電、電磁屏蔽、傳感器件等領域應用廣泛［10］。聚苯胺導電纖維的制備方法也較為成熟，一般先將聚苯胺溶解于N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、LiCL/NMP或濃硫酸中來制成紡絲液，再采用濕法紡絲法，將紡絲液在凝固浴中拉伸制得聚苯胺纖維。通過少量質子酸處理后，電導率一般為0.1～10 S/cm，并可以通過改變質子酸處理的濃度及時間來對聚苯胺纖維的電導率進行一定程度的調節，這也是其他纖維所不具備的特有的性質［11］。

雖然用聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等導電高聚物可以直接紡絲制成有機導電纖維，但由于這些高分子主鏈中高度共軛的結構使得分子鏈僵直，難于溶解和熔融，使聚合物的紡絲成形和后加工都比較困難。另外，有些聚合物中的氧原子容易與水發生反應；有些聚合物單體毒性較大，合成過程比較復雜；這些都大大增加了成形加工的難度與成本。到目前為止，聚合物直接紡絲而成的導電纖維尚且難以大規模應用于紡織品，而將聚合物與其他導電物質復合或共混紡絲制成復合導電纖維能有效地解決這一問題［12］。

1.1.3 復合型導電纖維

復合型導電纖維，其基本原理是將金屬材料、導電高分子、碳基材料等多種導電材料與普通纖維進行復合，或對纖維或紗線基體進行改性，來制備導電纖維。復合型導電纖維較常用的加工方法主要有共混紡絲法和表面涂覆導電層法。復合型導電纖維兼具導電性與傳統纖維的抗摩擦、抗屈曲、抗氧化和抗腐蝕的能力，它很容易與其他的纖維進行抱合混紡或交織，還擁有優異、持久的導電性。所以，該類纖維在產業紡織品、服裝等領域有著廣泛的應用。

1974年，美國杜邦公司首先研制出了名為Antron III的皮芯復合導電纖維，這種纖維以聚乙烯為芯，聚酰胺66（PA66）為皮。自此以后，世界上主要的化工企業相繼投入到了對含炭黑成分的復合導電纖維的研發中。然而炭黑復合導電纖維的顏色一般都是灰黑色，這就制約了它的使用范圍。因此，從20世紀80年代，人們開始對導電性纖維的白色化進行深入的研究。不同國內外團隊先后利用銅、銀、鎳、鎘等金屬硫化物、碘化物和氧化物作為導電性材料，通過復合紡絲，制備出了滿足不同著色要求的白色導電纖維。

1989年，Gregory等［13］以錦綸為基體，利用原位吸附聚合法，使苯胺在纖維表面進行氧化聚合，從而使其能夠在纖維表面上均勻地沉積，并滲透到纖維內部。這種方法制備出的導電纖維由于其滲透到纖維內部的交織結構使其具有較高的皮芯穩定性，因此導電性十分持久。除了以錦綸等合成纖維為基體來制備導電纖維外，研究人員還將天然纖維作為基體來制造導電性能優異的抗靜電纖維，充分發揮基體天然纖維具有的保暖、抗菌、吸濕排汗等特性。比如，Foitzik等［14］通過化學氣相聚合法，在羊毛織物表面均勻的覆蓋一層導電高聚物，導電聚噻吩層使織物表面的電導率得到了顯著提升。

近年來，由于納米科技的進步，新型納米復合導電纖維逐漸被開發出來［15］。各種形貌的納米顆粒可以填充導電網絡中的空位，使導電通路更加順暢，進一步提升導電纖維的電導率。Wang等［16］發現從木材等自然資源中分離出來的纖維素納米原纖維具有很強的機械性能，高的熱穩定性，光學透明性和易于功能化的特性，這對于制造高性能電子設備非常重要。通過濕法紡絲紡制可再生纖維素納米纖維（CNF）和銀納米線（AgNW）來獲得導電的AgNW-CNF纖維。Wang等［16］通過實驗發現，AgNWs的負載量對CNF-AgNW纖維的導電性有著重要影響。中空CNF-AgNW纖維以質量分數為30％～40％的AgNW負載比形成，其中40％含量的CNF-AgNW中空纖維實現了6.8×105 S/m的高電導率。由于CNF-AgNW纖維具有很高的柔韌性和良好的機械性能，因此可以很容易地與其他可商購的纖維進行編織或整合，具有廣闊的應用前景。除了將銀納米線負載到CNF上制備導電纖維之外，Zhou等［17］還以CNF為基體，通過界面合成法，將導電金屬-有機框架（c-MOF）納米涂層均勻地負載到CNF上，最終制備了CNF@c-MOF復合納米導電纖維。制備過程如圖1（a）所示。由于c-MOF具有高導電性，使得該復合納米導電纖維展現出100 S/m的超高電導率。與此同時MXene作為一種二維層狀納米材料，同樣擁有極高的電導率、快速的離子擴散性和高可逆表面氧化還原反應性。Zhang等［18］將小MXene（S-MXene）和大MXene（L-MXene）依次涂覆到棉紗和棉織物上，分別制備了SL-MXene導電棉紗（SL-MY）和導電棉織物（SL-MF），制備過程如圖1（b）所示。該導電棉織物的電導率可達到2020 S/m，電磁屏蔽效能可以達到42.7 dB，且在洗滌50次后，其電磁屏蔽效能還能保持在33.6 dB。

2 導電纖維的制備方法

導電纖維的制備方法有很多種，大體上可分為紡絲法和纖維表面涂覆導電層法，也有一些其他的方法，如拉伸法和碳化法。下文將對導電纖維的制備方法進行簡單的介紹。

a）紡絲法。紡絲法是制備纖維的重要方法之一。在紡絲工藝中，又分為共混或復合紡絲法和聚合物直接紡絲法。其中，共混或復合紡絲法即采用各種導電物質如金屬氧化物、有機物等與成纖高聚物經紡絲法制得纖維的方法。聚合物直接紡絲是指采用濕法紡絲法將導電聚合物（例如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等）紡絲溶液從噴絲頭的噴絲孔中壓出，在凝固浴中冷卻，直接紡成纖維的方法，濕法紡絲過程如圖2（a）所示［19-20］。薛超等［21］以碳納米管（CNT）、液體金屬（LM）、熱塑性聚氨酯（TPU）等為基材，以N-二甲基甲酰胺（DMF）為溶劑，以去離子水（DMF）為凝固浴，采用濕法紡絲法，制備CNT/LM/TPU復合導電纖維。該試驗結果表明，當纖維被擰得更緊時，其橫截面會增加，而當纖維的電阻率一定時，橫截面的增加會降低其電阻，從而提升導電性。微控流紡絲是一種以傳統濕法紡絲為基礎，開發出的一種可以生產微米級纖維的新型紡絲技術，這種技術可以通過對微通道中微尺度液體的控制，實現對纖維的尺寸和形貌的微觀控制［22］。Srivastava等［23］采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流控裝置，利用微控流技術，并采用一步和兩步紡絲法，實現了對聚乙烯吡咯烷酮及聚吡咯納米纖維的可控制備。該實驗結果表明，基于PDMS的微控流裝置可形成多射流紡絲源，具有快速成型的優勢，且制成的導電納米纖維在生物傳感、智能導電織物上都有很大的應用潛力。靜電紡絲技術也是制備導電纖維的一種重要的工藝，其原理是聚合物或熔體在強電場中直接噴射紡絲，可生產長徑比大、比表面積大的納米級纖維［24］，已經被廣泛應用于多個領域。 另一種常見的濕法紡絲是浮動催化化學氣相沉積（FCCVD）法也叫化學氣相沉積直接紡絲法，是制備碳納米管（CNT）纖維的常用方法［25］，流程工藝如圖2（b）所示。 用該方法制備的CNT纖維具有優異的機械性能、超高的電導率和極佳的化學穩定性，在導電多功能織物、智能可穿戴設備以及超級電容器電極材料中應用廣泛［26］。

b）纖維表面涂覆導電層法。纖維表面涂覆導電層法是指采用一定的方法在纖維表面形成一層可導電的物質，如鍍覆法和原位合成法。采用超臨界流體（SCF）技術在纖維上鍍一層金屬使纖維獲得良好的導電性是鍍覆法的一種，國內外學者正致力于芳綸、聚酯和錦綸等合成纖維在該技術中的研發。但是，目前采用 SCF技術對纖維表面進行鍍金屬時，仍面臨著許多問題，比如：纖維與金屬板之間的黏附性較低等。且該技術在應用過程中，對材料的耐熱性要求較高，制約了天然纖維在這種技術中的應用。Cho等［27］將腈綸浸泡在銅鹽溶液中，使銅離子與腈綸纖維的氰基絡合，在纖維表面生成銅硫化物，以提高腈綸纖維的導電性。由日本蠶毛印染公司生產的“SSN”纖維以日本帝人公司生產的“T-25”纖維（電阻率在107～108 Ω·cm之間）和聚苯胺（PAN）纖維為原料，并且將碘化亞銅（CuI）涂覆在纖維表面，制備導電纖維。中國還以PAN和聚酰胺（PA）為基體生產出了名為EC-N的導電纖維［28］。共聚接枝法作為原位合成法的一種，是將合適的支鏈或功能側基以化學方式結合到大分子鏈段上，從而制備出性能優良的改性纖維的方法。與傳統的物理涂覆、涂層等方式相比，共聚接枝法是一種化學改性，它的物理化學性質更加優良，并且其耐用性、穩定性也更高。范潔［29］以苯胺單體為原料，采用接枝共聚的方法使苯胺單體（PANI）在環氧氯丙烷（ECIP）-聚乙烯醇（PVA）的表面進行接枝聚合，制備了ECIP-PVA/PANI復合導電纖維。相似的工作還有將MOF、MXene以及石墨烯等導電材料通過化學方法原位錨固在纖維表面［30］。

c）其他方法。拉伸法是制備金屬絲導電纖維的主要方法，其又分為單絲拉伸法和集束拉伸法，用這兩種方法生產的纖維直徑約為8～35 μm，與熔融紡絲法生產的纖維直徑幾乎相同［31］。采用切割法制備的纖維直徑一般在15～300 μm之間。結晶析出法可以得到的纖維的最小直徑在0.2～8.0 μm之間，采用這種方法可以得到較短的纖維。主要用于抗靜電地毯、工裝布料的生產以及無紡布的生產制造。采用碳化工藝對纖維進行深加工也是當前普遍采用的一種方式。普通纖維（如聚苯胺纖維、纖維素纖維、瀝青纖維等）經過碳化后，纖維的導電性可以得到大幅度提高。以碳纖維為例，其導電、導熱等特性優異，但其模量較大韌性小，所以在傳統紡織服裝領域的應用受到限制。目前，主要將聚丙烯腈纖維低溫碳化來制備碳導電纖維用于產業用紡織品上［32］。

3 導電纖維在紡織品中的應用

3.1 抗靜電功能

織物的靜電現象是指纖維表面的靜電荷由于不能及時泄漏掉而產生的靜電荷積聚現象。在紡織品的生產加工過程及使用中，靜電現象表現得尤其明顯。為了減少靜電現象給人類生產活動帶來的不便，研究人員們將眼光重點投入到了導電纖維的研究中［33］。現已生產出的導電纖維，從整體上來講，生產工藝主要有兩類：一類是普通合成纖維表面或者內部引入親水性基團，從而使得它在特定的環境濕度溫度下，擁有日常生產生活中所需的抗靜電性；還可以對纖維進行接枝改性，或與親水性纖維進行混紡、交織，從而使纖維的導電性得到改善［34］。另一類是直接將導電長絲嵌入普通合成纖維中，或將導電短纖維與普通纖維混紡，使制得的織物獲得導電性。這兩類抗靜電纖維的作用原理不同，前者采用一種化學改性的方式，通過提高纖維的回潮率來增加導電性。這是由于水的導電性很強，通過吸收微量的水，可以改善物質的導電性，還可以給電荷提供一個傳遞媒介，促使離子朝著相反的電極運動，從而使得大部分的靜電泄漏該原理是“漏電”效應，但材料的靜電性會隨濕度的下降而降低。而后者則是通過電磁場作用，產生自身電暈放電，從而使纖維附近的空氣被電離，產生正、負離子。空氣中的正（負）電荷與織物表面的負（正）電荷相互抵消，從而消除了靜電［35］。

為了探討有機導電性短纖維對織物的抗靜電性的影響，伏廣偉等［36］以聚酯纖維和棉為原料，利用不同的紡紗方式，將不同比例的有機導電性短纖維與其混紡，并對織物的導電性進行了研究和評價。該研究表明，當導電性纖維用量相同時，環錠紗比轉杯紗導電性好；當有機導電纖維的質量分數達到4%左右的時候，織物的比表面積電阻會下降到107～109 Ω/cm 這樣就能夠達到抗靜電的需求，如果再提高它的含量，不但會增加成本，還會影響到織物的服用性能。南燕等［37］通過分析不同類型導電非金屬復合纖維的結構和性質，設計開發了滌綸導電織物，最終織物的初始面密度和洗滌50次的電荷密度都小于10 μc/m2， 明顯低于基礎織物的電荷密度。林燕燕等［38］用嵌織法將導電性碳黑尼龍長絲復合，制成了滌綸抗靜電織物并探討了導電長絲含量、結構、種類和嵌入形式等因素對纖維的抗靜電性的影響。該研究發現，當纖維中導電纖維的含量增加時，纖維的抗靜電性也會隨之增加，但增加到一定程度后，抗靜電性的變化不再明顯，增加幅度十分微小；在不同的織物結構中，緞紋織物的抗靜電性能最好；拉伸變形絲（DTY）型導電復合絲織物比全拉伸絲（FDY）型具有更好的抗靜電性；經緯雙向嵌入導電纖維，其織物抗靜電性優于僅單向嵌入導電纖維的織物。Xu等［39］將磺化碳納米管（SCNT）摻入有機抗靜電劑（OAA）中制成混合抗靜電劑，并將其涂在纖維表面以構建皮芯導電纖維，制備方法如圖3所示。由于磺酸基團的存在，SCNTs具有良好的分散性，繼而使SCNTs均勻地分散在纖維表面。當SCNTs/OAA的添加質量分數為0.5%～2.0%時，纖維具有優異的抗靜電能力。

3.2 抗輻射與電磁屏蔽特性

“電磁污染”是一種由電磁輻射引起的有害人體健康的現象，一般是指：當電磁輻射的能量超出了人類或者周圍的環境所能承受的極限時，它會對人類和環境造成傷害及污染，進而影響人類及環境動植物的健康。隨著人類生活條件的逐步改善，電子產品在生活中無處不見。從微波爐到電磁爐，從手機到筆記本電腦，甚至是目前大力發展的新能源汽車。電磁污染在人類生活中無處不在極為常見［40］。在多種電磁屏蔽防護材料中，其中一種就是用導電纖維做成的電磁屏蔽紡織品。該種由導電纖維制成的電磁屏蔽織物在受到外界電磁波作用時，可以產生感應電流同時形成與外部磁場相反的磁場，與外部磁場相互抵消，進而達到紡織品電磁屏蔽效果。Xiong等［41］首先采用濕法紡絲技術制備了大量的MXene短纖維，后采用一種綠色和新穎的濕法組裝方法，將MXene短纖維組裝成非織造MXene纖維織物（MFF）。所制備的織物多孔且重量輕，同時表現出708 S/cm的高導電性。此外，MFF在107 μm的厚度下表現出75.0 dB的出色電磁（EMI）屏蔽效果、出色的焦耳加熱能力（在3.5 V電壓下高達370 °C）和出色的光熱轉換能力，在EMI屏蔽、可穿戴智能服裝和多功能織物中顯示出巨大的潛力。Wang等［42］將聚吡咯改性Ti3C2Tx沉積到聚對苯二甲酸乙二酯織物的表面，制備了既有良好透氣性又有優異電磁屏蔽性且防水的織物。該織物的電導率高達1000 S/m，當織物厚度為1.3 mm時，電磁屏蔽效能值高達90 dB。高導電性過渡金屬碳/氮化物（MXene）納米片同時具有很高的電磁波吸收和內外部抵消作用，相比于傳統碳納米材料更適于制備電磁屏蔽織物。Liu等［43］通過同軸濕法紡絲方法，以導電MXene為核層，芳綸納米纖維（ANF）為殼層，制備出超韌、高強、高導電和環境穩定性好的ANF@MXene核殼纖維。高度取向的ANF@MXene核殼纖維解決了MXene纖維的導電性能和高力學性能不能兼得的難題，兼顧了高導電、超韌性、高拉伸強度和環境穩定性。

3.3 纖維基柔性傳感器

相比于近年來出現的平面型柔性傳感器，纖維基柔性傳感器不僅具有質輕、柔韌性好、透氣性好等優點，而且纖維狀的器件結構便于與織物結合，展現出優異的透氣性和舒適度，在可穿戴健康監控、運動識別等方面具有重要的應用價值。在天然纖維、合成纖維、超強合成纖維三大類纖維的基礎上，研究人員開發出了多種纖維基柔性傳感器。

3.3.1 天然纖維基柔性傳感器

在天然纖維中，棉紗的應用較為廣泛。Qi等［44］以棉紗為纖維基底，采用靜電紡絲技術將碳納米管（CNT）嵌入到聚氨酯（PU）納米纖維中，通過與鎳涂覆面紗復合構成壓阻傳感單元，再利用編織技術構建出一個三維的、有彈性的、多孔的、可用來監測二維空間中壓力分布的網絡結構，如圖4（a）所示。不同的CNT添加質量時傳感器電阻R隨壓力變化示意如圖4（b）所示，CNT濃度越大對傳感器電阻變化影響越明顯， 且相對電阻隨著施加壓力的增大而呈現指數型下降。在0.001～1 N范圍內該傳感器具有極靈敏的電阻響應。Xu等［45］基于還原氧化石墨烯（rGO）復合羊毛纖維制備出了一種柔性壓阻式傳感器，如圖5所示，該傳感器能夠在潮濕環境下正常傳感，并能與其他紡織品無縫結合，實現對人體細微運動（如呼吸、手勢等）的精確探測。

3.3.2 合成纖維基柔性傳感器

除了用天然纖維作為基體來制備柔性傳感器，研究人員還開發了合成纖維基柔性傳感器。合成纖維是化學纖維的一種，是用合成高分子化合物做原料而制得的化學纖維的統稱，主要包括滌綸、錦綸、腈綸、維綸、丙綸及氯綸纖維。與天然纖維相比，合成纖維具有彈性好和耐磨性高等優點，用其制成的傳感器使用壽命長、傳感靈敏度高。接下來將對兩種合成纖維基柔性傳感器進行簡單的介紹。

a）聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維（PET）基傳感器。PET纖維又稱滌綸纖維，不僅耐熱性優良，且是目前世界上產量最高的合成纖維。Zhang等［46］設計了一種紡織壓電式傳感器，其所用導電纖維制造過程如圖6（a）所示。此導電復合纖維以PET纖維作為基材，在其外面覆蓋一層碳納米管聚合物導電網絡，最外層包裹聚吡咯-聚多巴胺-全氟十二烷基三乙氧基硅烷（PPy-PDA-PFDS）聚合物層。最終制成的新型傳感器對油水兩種環境均有極強的排斥性，可在劇烈的擦洗或脫膠后快速恢復，可應用于長期、持續的人體行為監測，以及在潮濕和汗濕環境中的人機交互及機器人學習等。

b）聚氨酯（PU）纖維基傳感器。PU纖維又稱氨綸纖維，具有優良的化學和力學性能；然而，由于其吸濕性能差、強度和耐熱性差，多與其他織物混紡，一般不單獨使用。Li等［47］通過浸涂法，將柔性熱塑性聚氨酯（TPU）無紡布用導電MXene/纖維素納米晶體包覆起來，再用預處理好的TPU布制得壓阻式傳感器。該傳感器可以應用于人體的運動監測和生理信號的采集。Liu等［48］首先是在TPU無紡布上覆蓋一層纖維素納米晶體（CNC）/石墨烯涂層，制備壓阻式觸覺傳感器，并浸涂一層疏水性氣相二氧化硅（Hf-SiO2）/乙醇分散體，制造過程如圖6（b）所示。該傳感器具有優異的防水性、耐腐蝕性和自清潔性，能滿足人們的日常需求。

3.3.3 超強合成纖維基柔性觸覺傳感器

超強合成纖維具有輕質、高強、耐腐蝕、耐高溫的優點，但是其制造過程復雜，價格昂貴，到現在為止在柔性傳感器的研究中的應用還不多［49］。

凱夫拉纖維（Kevlar）因其超高模量和優異的力學性能，從20世紀60年代起就被廣泛應用于防彈領域。Liu等［50］在碳納米管和Kevlar的基礎上，制備了耐磨織物壓阻式傳感器，復合纖維制備過程如圖7（a）所示，該傳感器對動力沖擊具有較強的耐受性（最高可達到1232 N），能夠探測到不同的人體運動信號。如圖7（b）所示，在不同的手指和手肘彎曲角度時該傳感器具有較高的檢測靈敏度。Deka等［51］通過激光刻蝕法制備了氧化鋅/碳纖維傳感電極，并將其與凱夫拉纖維復合，研制出了一種新型的壓阻傳感器，可實現對各類裝備的精密運動操控。

玻璃纖維具有良好的抗腐蝕、阻燃和絕緣性能，但脆性大，耐磨性能差。Ma等［52］研發了一種由玻璃纖維、石墨烯涂層和聚合物基體組成的壓阻式觸覺傳感器，該傳感器具有層-纖維-層復合結構，可以檢測手指關節的活動。Fu等［53］將石墨烯涂覆在玻璃纖維織物上，再通過和硅復合制備出壓阻式觸覺傳感器，其具有很高的拉伸強度，能抵抗800 N以上的外力，最常用于檢測腕部運動。然而玻璃纖維較脆，容易產生碎屑，對人體十分不友好，在人體運動傳感領域的前景較小。

4 結論與展望

導電纖維作為一種新興的功能性纖維，在傳統紡織、產業用紡織、汽車工業及電子產業等多個領域都展現出其卓越的價值和良好前景。尤其在紡織行

業中，通過不同的方法使一些常見的纖維帶電，從而可以將傳統紡織品升級為智能可穿戴設備，滿足人們許多生活場景的需求。利用導電纖維開發抗靜電和電磁屏蔽織物的技術已經十分成熟，為解決人類在生產生活中的靜電現象起到了極大的作用。導電

纖維基傳感器等智能穿戴設備的出現和發展也極大地提升了人們的生活水平，給人們的生活帶來了極大的便利。但是目前，關于導電纖維仍然存在以下兩個問題需要進一步研究和解決：

a）在制備工藝方面：常見的制備導電纖維的方法有拉伸法、復合或共混紡絲法、鍍覆導電層法等，但是用這些工藝生產出來的導電纖維也有許多缺陷，例如，雖然制備共混型導電纖維的工藝已經非常成熟，但是由于這類導電纖維電導率較低，所以到目前為止僅被廣泛應用于防靜電織物，應用范圍受限，如何提升共混型導電纖維的電導率是目前需要解決的問題之一。鍍覆型導電纖維的導電性較好，在防輻射面料和服裝方面有著廣闊的應用前景，但是其化學穩定性較差，如何在不改變其優良電導率的基礎上，開發出化學穩定性更好的導電纖維，目前還需要進一步研究。迄今，許多先進的方法如靜電紡絲法、微控流紡絲法等紡絲方法的出現可以很好地平衡導電纖維電導率和性能穩定性之間的關系，但是這兩種方法也有各自的優缺點。雖然靜電紡絲法制備導電纖維生產過程簡單、易操作，但是產量低，不能進行大規模生產；微控流紡絲在傳統濕法紡絲快速成型的基礎上，結合微流體技術的層流效應，可以制備出微米級的纖維，其生產過程安全節能、操作簡單，但是生產成本高昂，也暫不適合大規模生產。綜上所述，如何生產出制備工藝簡單、成本低、性能優異且能大規模生產的導電纖維還需研究人員進一步研究。

b）在導電材料方面：導電材料由傳統的導電炭黑向碳納米管（CNTs）、石墨烯納米片（GNPs）、MXene方向發展，金屬導電材料也由銅、不銹鋼向銅納米線、銀納米線的微納化方向發展。特別是復合導電材料的應用，可以進一步提升導電纖維的導電性和力學性能，從而擴大導電纖維的應用范圍。從單一應用于防靜電領域的傳統導電纖維開始向差別化、功能化方向發展。隨著智能可穿戴、超級電容器的發展和廣泛應用，人們對導電纖維提出了更高的期望和要求，不僅要求導電纖維有更高的電導率，而且在纖維的強度、細度和化學穩定性等方面都提出了更高的要求。如何兼顧這些要求并開發出功能性更優異、更多樣的產品是亟待研究的熱點。

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Application progress of conductive fibers in the applicationofnew textiles

XIE Jinlin1， ZHANG Jing1，GUO Yuxing2， ZHAO Zhihui2， QIU Hua1， GU Peng1，2

Abstract： With the development of new science and technology， textiles are not limited to the applications of warm-keeping and beauty. Extra functions such as sensing and indicating are the new trend of the 21st century and the concept of e-textiles and smart textiles emerges as the times require. Thus， conductive fibers have attracted extraordinary attention with the upsurge of interest in flexible and wearable health monitoring systems， energy storage devices and noninvasive human-machine interfaces. In the meantime， conductive fibers also show excellent antistatic and shielding electromagnetic radiation properties， which made conductive fibers the excellent candidate for wearable textile devices and industrial textile products.

In the 1960s， people began to develop conductive fibers for antistatic purpose， and different types of conductive fibers were gradually developed. So far， conductive fibers can be divided into three main types. The first type is fibers made by inorganic materials such as metals and carbon， but these fibers exhibit poor wearability and conductive instability. The second type is polymer fibers such as PPy and PANI， which show a good conductivity up to 103 S/cm. However， the preparation process of fiber formation is quite complex because of the high toxic monomer， high molecular weight and oxidation. The third type is composite conductive fibers made through coating or blending fabric technology. By blending or coating conductive polymers， metals or other conductive materials （such as MXene and Graphene）， the composite fibers can always inherit the benefits from both conventional fibers and conductive materials.

Currently， the major researches of conductive fibers are focused on textile technology and materials science. Although there are some review articles on the similar topics， it is necessary to summarize the recent development of conductive fibers in the application of next generation textile products.In this study， we present a review of the classification and preparation techniques of conductive fibers， as well as the application and development of antistatic， electromagnetic shielding and flexible sensors in detail. Future perspective is given in the end， which could shed light in the conductive fiber research and industry， especially in the area of smart wearable devices.

Keywords： conductive fiber; flexible fiber; antistatic;electromagnetic shielding; smart wearable devices

收稿日期：20230310 網絡出版日期：20230608

基金項目：江蘇省產學研項目（BY20221191）；江西省揭榜掛帥重大項目（20213AAE02017）

作者簡介：謝金林（2000—），女，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事導電材料與智能穿戴方面的研究。

通信作者：顧鵬，E-mail： peng.gu@jiangnan.edu.cn