螺旋芯水凝胶导电纤维传感器

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在智能可穿戴设备中，传统导电纤维常面临拉伸性能不足、对应变高度敏感等问题，特别是在大幅度变形时电阻波动明显，容易造成信号传输不稳定，引发信号失真进而影响数据的准确性。为此，亟需研制一种兼具高拉伸性、应变不敏感且在大变形条件下电阻变化极小的导电纤维，以有效保障电子信号的连续性和可靠性。

近期，北京服装学院吴汉光教授与北京化工大学田明教授合作，在Advanced Fiber Materials发表了题为“Strain-Insensitive Stretchable Conductive Fiber based on Helical Core with Double-Network Hydrogel”的研究成果。该研究采用微流控纺丝技术，将具有半互穿网络结构的螺旋形导电聚合物水凝胶芯层引入到全聚合物纤维中，实现了全聚合物可拉伸导电纤维的连续稳定制备，并通过优化工艺参数，提升了材料结构与性能的协同性。所制备的纤维具有500%的断裂伸长率和147 S/cm的体积电导率，在100%应变下电阻变化率仅为5%，在2000次循环拉伸后依然保持良好的性能稳定性。凭借其良好的导电性及抗拉伸干扰性能，该导电水凝胶纤维在可拉伸导线、自供电传感器和电热加热器等智能穿戴领域展现出广阔的应用前景。

首先，采用微流控湿法纺丝（MST）技术，以PVA/PEDOTSS水溶液作为内层流体，以PU/DMSO溶液作为外层流体，在水凝固浴中固化形成皮芯层结构。一方面，内外层流体在接触瞬间会产生界面固化现象，生成半凝固态界面层，这使得内层流体在流体阻力作用下发生异质卷绳效应，呈现弯折、螺旋的结构，从而成功构筑了螺旋形芯层；另一方面，在固化的PU皮壳层中，内流层中的PVA与PEDOTSS会逐步交联，形成具有半互穿网络结构的可拉伸导电聚合物水凝胶，该水凝胶变形量可达400%，且在拉伸形变的过程中电导率变化较小。因此，通过构筑螺旋形内芯，并采用可拉伸导电水凝胶作为内芯，成功开发出抗拉伸干扰导电纤维（PU@PVA-PEDOTSS SI-CF）。

图1 PU@PVAPEDOTSS SI-CF的MST制备流程及结构性能

其次，探究了微流控纺丝过程中的各工艺参数对流体形态及所得纤维结构的影响规律，如图2所示，从而成功确定了最佳成型工艺参数。

图2 内层流体的螺旋结构形成机制及工艺参数调控

如图3所示，所得导电纤维表现出良好的抗拉伸干扰性能（在100%应变下电阻变化率低于5%），具备长期工作稳定性。通过对导电聚合物水凝胶内芯的半互穿网络在拉伸过程中导电性能的变化情况进行深入研究，揭示了该纤维导电性的抗拉伸干扰机制。

图3 PU@PVA-PEDOTSS SI-CF的性能及抗拉伸干扰机制

最后，凭借PU@PVA-PEDOTSS SI-CF出色的抗拉伸干扰性能，将其应用于可拉伸导电纤维、自供电传感纤维及可拉伸电热纤维领域，如图4所示。

图4  PU@PVA-PEDOTSS SI-CF的应用

综上所述，采用微流控湿法纺丝技术，借助可拉伸导电水凝胶及螺旋内芯结构设计，实现了全聚合物导电纤维的连续化制备。通过调控微流控湿法纺丝工艺，优化PU@PVA-PEDOTSS SI-CF纤维结构，使其展现出卓越的性能：拉伸性高达500%，导电性达147 S/cm，在100%应变下电阻变化率仅为5%，表现出超应变不敏感性。相较于其他技术，该工作在弹性导电纤维开发上具有显著优势：（1）仅采用环保聚合物材料;（2）微流控湿法纺丝技术具备大规模连续生产的潜力;（3）所制备纤维性能优异，远超同类产品，在智能可穿戴领域应用前景广阔，有望替代传统不可拉伸的商用金属丝。