导电纤维在智能可穿戴领域中的应用进展研究

陆银霞

（浙江纺织服装职业技术学院，浙江宁波 315000）

随着智能可穿戴领域的发展日渐成熟，智能定位手表、运动监测手环及压力传感运动鞋垫等被越来越多的消费者接受，但是大部分产品都存在材料质感较硬导致穿戴舒适性差的问题［1-2］。纺织材料因良好的服用性及可加工性成为智能可穿戴领域的新宠，多种经特殊功能整理的纺织材料被广泛应用于智能可穿戴产品设计［3-4］。导电纤维不仅能直接用于智能可穿戴产品设计，还能通过再加工生成功能纺织材料［5］。高性能导电纤维的开发对整个智能可穿戴领域发展意义重大。本文通过查阅近几年相关研究成果，总结导电纤维的种类、制备、优缺点及在拉伸传感、压力传感、超级电容器、发热织带领域的应用，展望导电纤维在智能可穿戴领域的应用前景。

1 导电纤维的种类及制备

导电纤维指在标准状态下电导率高于10-7S/cm的纤维，按导电物质在纤维中的分布情况可分为均一型、包覆型和复合型3大类，具体如表1所示［6-7］。

表1 导电纤维的分类、电导率及代表产品［7］

1.1 均一型

均一型导电纤维由金属（镍、钨、铜、银、铂及铁等）、纳米碳（石墨烯、碳纳米管及炭黑等）和导电高分子（聚乙炔和聚苯胺等）直接加工而成，其中金属纤维因导电性优良被最先应用于智能可穿戴器件。东华大学的李乔［8］将感温铂金属纤维作为部分纱线织入织物，增加纺织产品自身的感温性能，但是金属纤维弹性低，耐折叠性较差，易导致导电性能不稳定，在实际应用中经常与其他纤维混合以提升综合性能。王晓娜等［9］以铜丝为模板，通过气相沉积在其表面生成石墨烯纳米层，用4%的聚甲基丙烯酸甲酯包覆后进行铜丝刻蚀，获得石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合中空纤维，再用丙酮去除聚甲基丙烯酸甲酯制备石墨烯中空纤维，最后用聚乙烯醇进行涂层，制备具有皮芯结构的石墨烯纤维（见图1）。

图1 石墨烯中空纤维制备示意图

该纤维断裂伸长率高达16%，电导率为96 S/cm，拉伸应变传感性能较好，但制备工艺复杂，目前还难以产业化。Yu 等［10］将聚苯胺与热硫酸混合配制成纺丝液，以稀硫酸作为凝固浴进行静电纺丝，得到平均直径约为370 nm、电导率为52.9 S/cm 的聚苯胺纤维。该纤维电致变色性能良好，被应用于电变色器件，但对制备操作安全要求较高。

除了上述几种导电纤维外，不锈钢纤维、银纤维及碳纤维等也是常用的均一型导电纤维。总体而言，均一型导电纤维导电性优异且耐水洗牢度高，但耐反复疲劳性差且只能发生有限形变，在智能可穿戴领域应用非常有限。

1.2 包覆型

包覆型导电纤维通过浸渍、喷涂、化学镀及电镀等方法将导电物质包覆在纤维表面。浸渍法因工艺简单成为最常用的制备方法。Hong 等［11］将聚乙烯长丝反复浸渍在酸性聚苯胺溶液中，在过硫酸铵的引发下原位聚合生成聚乙烯@聚苯胺导电纤维，电导率为（0.87±0.10）S/cm。研究人员还尝试用炭黑、吡咯及氧化石墨烯等配制成电解质溶液，用浸渍法制备导电纤维，取得了一系列研究成果，但是导电物质在纤维上分布不均匀及易脱落是目前需要解决的问题。PV Nano Cell 公司成功开发出一种单晶纳米导电油墨，可通过喷涂方式实现在基材上的均匀分布［12］。Wei 等［13］在预牵伸的氨纶纤维表面喷涂银纳米线油墨，氨纶纤维回复后得到表面均匀且有褶皱状微结构层的导电纤维（见图2）。该方法基本不受纤维基材限制，可满足不同领域制备导电纤维的需要。除了浸渍和喷涂外，在纤维表面镀导电金属也是相对成熟的技术之一。崔旭等［14］将锦纶纤维通过化学还原进行表面镀银，镀银锦纶导电层均匀致密，导电性良好（电导率最大为7.14 S/cm）。这得益于锦纶长丝表面的极性基团与镀银导电层之间较好的饱和性，但化学还原镀银过程会产生含重金属离子的废液。电镀银是利用电流将银离子还原，均匀沉积在纤维表面形成导电膜，减少对环境的污染，但银与纤维结合力较弱。包覆型导电纤维的导电性较好、种类较多且制备方法多样，在智能可穿戴领域应用较多，提高导电物质与纤维的结合牢度是目前研究的重点内容。

图2 AgNW 包覆PU 导电纤维制备示意图及数码照片

1.3 复合型

复合型导电纤维由导电物质与纺丝液均匀混合纺丝制得，常用的制备方法有静电纺丝、熔融纺丝及湿法纺丝等。李博弘等［15］将聚酰胺酸（PAA）和聚苯胺（PANI）按一定比例混合配制PAA/PANI 纺丝液，静电纺丝成PAA/PANI 纤维后加热，通过亚胺化得到聚酰亚胺（PI）/PANI 复合导电纤维膜，PANI 质量分数为10%时，电导率为9.26×10-3S/cm。Bilotti 等［16］将多壁碳纳米管（MWCNT）与热塑性聚氨酯（TPU）熔融混合均匀后纺丝，当MWCNT 质量分数为3%时，电导率为3×10-2S/cm，且最大伸长为10%时循环使用15 次后仍保持较好的导电性。Lee 等［17］以弹性体（SBS）和银纳米线混合溶液采用湿法纺丝成纤维，以AgCF3CO2为前躯体将纤维浸渍后取出，用水合肼原位生长银纳米颗粒，制备可实现900%拉伸的高导电纤维复合材料，电导率最大为2.45×103S/cm（见图3），可嵌入智能手套中用于检测手语和感知人体运动。上述方法制备的导电复合纤维导电性好、牢度高、耐水洗，可实现较大拉伸变形，有效解决了均一型和包覆型导电纤维存在的问题［18］。静电纺丝导电纤维因对原料选择要求较高且生产效率较低，在实际生产中的应用非常有限。熔融纺丝和湿法纺丝制备导电纤维的工艺相对简单还可以实现产业化生产，已成为制备复合导电纤维最有应用前景的方法。

图3 SBS/AgNW 复合纤维制备示意图

2 导电纤维在智能可穿戴领域中的应用［19-20］

2.1 拉伸应变传感器

拉伸应变传感器是将拉伸变形信号转换成某种可用信号进行输出的器件，在运动姿势、表情监控及智能手套领域得到广泛应用（见图4）。

图4 导电纤维及其集合体在应变传感器中的应用

Eom 等［21］采用原位聚合法将PEDOT 包覆在聚苯乙烯（PS）纤维上，再将该材料嵌入手套的各个手指，通过电阻变化改变输出电压检测各种手指姿势变化。该智能手套可通过预先定义的手势表达手语，例如美国手语（ASL）字母中“S”“K”“U”“C”和“A”都可以用相应的手势进行模仿，体现较好的人机交互应用前景。但ASL 字符模拟都是在静止状态下进行，动态的手语字母模拟仍需进一步研究。Gao 等［22］利用同轴湿法纺丝原理成功制备导电的中空碳纳米管/热塑性聚氨酯纤维，然后将其作为拉伸应变传感器用于监测人体运动姿势。测试发现，该拉伸应变传感器在拉伸变形350%的状态下，应变仪灵敏度系数高达166.7，且可以实现超过10 000 次重复测试，较高的灵敏度和耐久性可满足人体运动监测需要。虽然该纤维还处于实验阶段，但其产业化前景广阔，将该纤维编织成织带或与服装一体化将有助于拓展应用领域。

2.2 压力传感器

压力传感器将受压变形信号转换成某种可用信号进行输出，是较多智能可穿戴产品的核心部件［23］。由导电纺织材料制备的压力传感器在心电监控、娱乐消遣、疾病诊断和患者康复等领域都有应用。Jiang等［24］利用湿法纺丝和真空过滤相结合得到氧化石墨烯纤维集合体，用水合肼还原后浇筑聚二甲基硅氧烷（PDMS）得到压力传感器件监控呼吸（见图5a）。Choi 等［25］制备了一种具有层次性微毛结构的导电纤维传感器，将其与手套结合实现人机界面的实际应用，如通过按压纤维传感器控制电脑游戏（见图5b）。导电纤维及其集合体构建的压力传感器可准确感知较大压力变化，但是针对心电监控这样感知微小压力变化的应用仍面临灵敏度低和稳定性差的困境。压力传感器性能及该器件与人体皮肤接触状态是最重要的影响因素，尤其当压力传感器性能一定，两者紧密接触时监测到的信号相对精准，反之则较差。所以，加强压力传感器与皮肤的贴服也是该领域重要的研究内容。田明伟等［23］提出利用高导电弹性纤维直接编织成压力传感器有望提升压力传感器的信号收集效果。

图5 导电纤维及其集合体在压力传感器中的应用

2.3 柔性超级电容器

柔性超级电容器是一类具有复合快速充放电、高功率密度且较长使用寿命等功能的柔性储能器件［26］。该领域的研究工作主要集中在提高储能密度、增强柔性变形上，已经取得了丰硕成果。中国科学院张跃钢团队［27］结合静电纺丝技术和高温热解技术，在一维碳纤维上垂直生长碳管，制备了三维柔性碳电极材料。该材料组装的柔性电容器在电流密度0.5 A/g、电压4 V 的条件下，比容量达到70.7 Wh/kg，在充放电循环20 000 次后比容量保持率为97%。暨南大学的麦文杰团队［28］将纤维状超级电容器与纤维状染料敏化太阳能电池共同编织成服装面料，穿着此面料外出可利用太阳能电池模块采集太阳光，并将其转换成电能储存（见图6）。该面料不仅保证了电容器的储能效果，还保持了面料的透气舒适性，为可穿戴能量储存器件的一体化设计提供新思路。

图6 导电纤维应用于太阳能采集和能量存储服装设计［28］

2.4 发热织带

发热织带是利用导电纤维加压时发热原理开发的保健产品［29］。研究人员将水性石墨烯油墨与纤维原丝结合制备电热性能良好的材料。还有研究团队利用光波增强技术有效提高石墨烯的远红外光波转化率，制备的发热织带电热转换损失仅为1%［30］。市场上发热织带产品较多且制造技术较为成熟，如济南圣泉集团将石墨烯嵌入纤维结构后织成发热面料，实现在较低电压（4 V 左右）下实时控制织带升温速率及温度的功能，还可提供一定的远红外辅助治疗功能。但由于发热织带制备技术门槛较低且缺乏国家安全标准，需要更加重视导电材料的安全性［31］。

3 结语

近10 年来，导电纤维材料的研究取得了突破性进展，不仅实现了制备方法的多样化，还显著提升了材料的综合性能。形式多样的导电纤维被应用在智能可穿戴器件中，展现出广阔的应用前景，但仍存在部分较为突出的问题：大部分均一型导电纤维耐疲劳性差且只能发生有限形变；包覆型导电纤维上导电物质的牢度有待增强；静电纺丝导电纤维制备工艺要求较高等。熔融纺丝和湿法纺丝制备的复合导电纤维因可实现高弹性、大形变、牢度高及工艺可产业化等优点，将成为更有前途的智能可穿戴器件用材料。拉伸应变传感器、压力传感器、柔性超级电容器和发热织带作为智能可穿戴器件的典型代表，因应用领域不同，对导电纤维材料的选择存在差异。拉伸应变传感器和压力传感器更看重导电纤维的导电性、高弹性及导电稳定性，柔性超级电容器和发热织带用导电纤维则分别需要具备较高的赝电容和发热效率。部分智能可穿戴器件直接接触人体，导电纤维安全性值得关注。同时需要不断制定与完善导电纤维及智能可穿戴产品质量评定统一标准。