導(dǎo)電紗線的制備及其在智能可穿戴裝置中的應(yīng)用研究進(jìn)展

馬珮珮，李 龍，吳 磊

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

可穿戴裝置是指可以直接穿戴在人身上的電子設(shè)備或是可以整合到服裝上的便攜式電子設(shè)備[1]。從可穿戴的角度來看，柔韌性是可穿戴的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是必然的發(fā)展趨勢。如果材料是剛性的，那么就舒適性而言，它將會大打折扣。一般來說，柔性可穿戴裝置經(jīng)歷了從剛性化到柔性化再到智能化的過程，未來也將朝著信息精準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。智能可穿戴裝置的柔性化需要柔性襯底材料作為依托。目前，通過紡織材料、聚合物薄膜和導(dǎo)電涂層等柔性材料與納米技術(shù)、電氣、電子工程和紡織技術(shù)融合，可以研發(fā)適形、輕量化的柔性電子器件?？纱┐餮b置的制造一般需要考慮材料的可持續(xù)發(fā)展、柔性、良好的整體電學(xué)性能以及機(jī)械和環(huán)境的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的電子器件相比，紡織材料由于柔軟、可變形、透氣、耐用、耐洗、低成本及高親膚性等特點(diǎn)，能夠滿足人體的正?；顒樱虼朔浅＿m合作為未來可穿戴電子產(chǎn)品的開發(fā)[2]。紗線作為基本的紡織材料，在智能可穿戴裝置中發(fā)揮著巨大的作用，而開發(fā)具有導(dǎo)電功能的紗線是滿足智能可穿戴裝置各種需求的突出研究領(lǐng)域之一[3-4]。這些要求包括應(yīng)變傳感器[5]、信號傳輸[6]、電子產(chǎn)品[7]和微電子中的個人防護(hù)以及一些醫(yī)療物理健康監(jiān)測等。其中如何實(shí)現(xiàn)普通紗線具有導(dǎo)電性，且如何滿足穩(wěn)定的電學(xué)性能和穿著過程中的舒適性，是導(dǎo)電紗線應(yīng)用于智能可穿戴裝置的基礎(chǔ)。本文綜述了常見的金屬基導(dǎo)電紗線、碳基導(dǎo)電紗線、導(dǎo)電聚合物基導(dǎo)電紗線的制備方法，并對導(dǎo)電紗線在智能可穿戴裝置中的應(yīng)用研究進(jìn)行了闡述。

1 導(dǎo)電紗線及其制備

導(dǎo)線纖維是制備導(dǎo)電紗線的重要組成原料，其大致分為兩類：一類是天然的導(dǎo)電纖維，如金屬纖維、碳纖維、共軛聚合物、光纖等，一般通過拉伸、削切等工藝制備得到[8-9]；另一類是通過涂覆、浸漬、混合等方法將具有絕緣性能的材料與高導(dǎo)電材料，如金屬基導(dǎo)電材料(銀、銅、鎳)、碳基導(dǎo)電材料(石墨烯、碳納米管)、本征型導(dǎo)電高分子聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩)等結(jié)合得到的導(dǎo)電纖維，又稱為復(fù)合型導(dǎo)電纖維[10-11]。表1為導(dǎo)電纖維的種類及特點(diǎn)[12-13]。

表1 導(dǎo)電纖維的種類及特點(diǎn)[12-13]

1.1 金屬基導(dǎo)電紗線

金屬材料因具有良好的導(dǎo)電性，在可移動和可穿戴電子器件中應(yīng)用廣泛[14]。金屬基導(dǎo)電紗線的制備方式較多，其中將金屬絲或纖維通過不同形式加入(如包芯紗、混紡紗)，是制備金屬基導(dǎo)電紗線方式之一[15]。Shahzad等[16]將不銹鋼(SS)纖維分別與聚酯纖維和粘膠纖維按12%和24%的質(zhì)量比例混紡，在三種不同的捻系數(shù)下制備復(fù)合導(dǎo)電紗。根據(jù)混紡類型、混紡比、捻系數(shù)和相對濕度的變化，對紗線的導(dǎo)電性能進(jìn)行了評價。研究發(fā)現(xiàn)，SS纖維含量對導(dǎo)電紗線電阻的影響最大，其次是捻系數(shù)和混紡類型。Pei等[17]使用改進(jìn)的渦流紡紗系統(tǒng)，銅線依次穿過頂部前輥表面上的凹槽和纖維引導(dǎo)件的孔口送入紡絲噴嘴，制造了用于可穿戴電子設(shè)備的超細(xì)銅線的包芯紗。圖1為金屬基導(dǎo)電紗線的制備示意圖[17-19]。掃描電子顯微鏡照片證實(shí)，由于渦流紡紗系統(tǒng)的特殊紗線形成機(jī)理，銅線位于芯區(qū)中，并被包芯紗中外層的螺旋短纖維緊緊包裹，如圖1(a)所示。

圖1 金屬基導(dǎo)電紗線的制備示意圖

金屬混紡紗線具有比導(dǎo)電聚合物基紗線更好的導(dǎo)電性。但金屬纖維對皮膚的親和性較差，且與導(dǎo)電聚合物基紗線相比，金屬紗線的縫合相當(dāng)困難，金屬的脆性較大，在使用過程中，裸露的金屬纖維容易發(fā)生斷裂。

此外，金屬基導(dǎo)電紗線也可以通過金屬化涂層的方法制備得到。金屬化涂層方式較多，但金屬顆粒沉積在紗線表面可能造成紗線的柔性、舒適度下降。且金屬顆粒在紗線表面的負(fù)載牢度也是需要考慮的問題。因此,需要通過對紗線改性處理，提高紗線的電化學(xué)性。Shin等[18]使用有機(jī)介質(zhì)中的胺功能化分子將金(Au)納米顆粒逐層組裝在高度多孔的棉紗上，以制備可儲存大量電容的金屬棉紗。并采用相同的組裝方法，將Fe3O4和MnO納米顆粒沉積在金屬棉紗上，以制備非對稱超級電容器的陽極和陰極(圖1(b))。此外，將Au納米顆粒周期性地插入電容多層膜之間，以便于電荷傳輸。Yang等[19]將聚酯紗線先進(jìn)行鍍金，然后將導(dǎo)電金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)-Ni3(2,3,6,7,10,11-六羥基三苯基)2(Ni3HHTP2)完全包覆在鍍金滌綸絲(PET/Au)表面，以提高其電化學(xué)性能，如圖1(c)所示。采用這種簡易浸涂法制備的全固態(tài)對稱紗線超級電容器，在機(jī)械彎曲和拉伸條件下表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的電化學(xué)性能。

金屬涂層紗線主要是通過一系列反應(yīng)在紗線表面沉積金屬顆粒，從而達(dá)到導(dǎo)電的效果。這就要求在紗線表面形成均勻、連續(xù)的層。為了滿足上述要求，紗線表面要求光滑和高度拋光。因此，在涂層操作過程中需要特別小心，以便在紗線上形成厚度均勻的連續(xù)金屬層，這一要求使得涂層過程成本很高。金屬化涂層紗線的柔韌性比金屬混紡紗要好，但金屬涂層紗線的金屬負(fù)載率較低，導(dǎo)電性較純金屬紗線差，且在使用過程中，金屬涂層易脫落，導(dǎo)電耐磨性和耐水洗較金屬混紡紗差。

1.2 碳基導(dǎo)電紗線

隨著碳基材料的發(fā)展，以石墨烯和碳納米管為代表的碳材料，因同時具備較優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，成為導(dǎo)電紡織品的重要材料,在導(dǎo)電紗線的制備中具有廣泛的應(yīng)用[20-23]。

碳納米管(CNTs)具有高力學(xué)性能、低密度以及優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)性能[24]。單個碳納米管具有非常低的電阻，對于直徑為9.1 nm的多壁碳納米管，電阻率低至5.1 μΩ·cm，因此，在航空航天和可穿戴紡織品中使用廣泛，而將碳納米管組裝成紗線有望成為金屬絲的替代品[25]。當(dāng)碳納米管被宏觀組裝成紗線時，碳納米管的固有性能限制了由碳納米管陣列紡成的碳納米管紗的導(dǎo)電性，因此需要對CNTs紗線進(jìn)行改性處理[26]。Dini等[27]通過化學(xué)摻雜、退火處理(2000 ℃以上)以及兩者的結(jié)合，大幅度提高了碳納米管紗線的導(dǎo)電性。并提出了一種新型高效的以氯化鉑為基材的碳納米管p型摻雜劑，將CNTs紗線的電阻率由3.4 mΩ·cm減小到1 mΩ·cm，并且穩(wěn)定在半年以上。2000 ℃以上的退火處理大幅提高了碳納米管結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外，還發(fā)現(xiàn)碳納米管紗線的電阻率隨碳納米管結(jié)構(gòu)質(zhì)量的提高而線性降低。Tran等[28]利用濕法紡絲技術(shù)合成的CNT絲來制備高性能CNT/Au/Cu復(fù)合紗線，如圖2(a)所示。經(jīng)過Au濺射預(yù)處理后，由于金屬絲表面潤濕性和反應(yīng)性的提高，在碳納米管絲上沉積的Cu更加均勻，CNT/Au/Cu復(fù)合絲的機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)0.74 GPa(約為金屬絲的2倍),導(dǎo)電率可達(dá)4.65×105S/cm(約為銅的80%)，如圖2(b)所示。利用濕紡或干紡方法可以開發(fā)高性能碳納米管紡織品[29]。這些方法包括碳納米管在普通溶劑中的分散、高溫退火和化學(xué)摻雜[30-32]。此外，由于彎曲、扭曲、拉伸、編織和化學(xué)洗滌等不同的機(jī)械和化學(xué)應(yīng)力，CNTs用于智能可穿戴的可靠性不高。

為了滿足人體運(yùn)動的更大拉伸要求，可將碳納米管纖維與彈性纖維或普通纖維結(jié)合來制備導(dǎo)電紗線。Liu等[33]提出在拉伸的超彈纖維芯材上包裹定向排列的碳納米管，制備了可拉伸的鞘芯導(dǎo)電纖維。該纖維可織入織物中，使織物作為智能設(shè)備的導(dǎo)電基礎(chǔ)，這是智能服裝最理想的設(shè)計狀態(tài)。Yang等[34]開發(fā)了一種簡便而原始的方法，制造棉粗紗和CNT相結(jié)合的柔性導(dǎo)電紗線。將CNT組裝到棉粗紗上，然后在環(huán)錠紡紗中通過加捻被纖維包裹，如圖2(c)所示。所得的經(jīng)CNT處理的棉紗(CNT-CYs)顯示出良好的導(dǎo)電性和耐久性能。

圖2 碳基導(dǎo)電紗線的制備圖

CNTs具有較優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，是可以代替金屬材料的選擇之一，但純碳納米管紗線耐磨性和抗彎曲較差，限制了其在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用。且CNTs原料的價格昂貴，通過涂層方式制備的碳納米管紗線導(dǎo)電耐久性差。因此，優(yōu)化工藝是目前需要解決的一個問題。

石墨烯是一種二維同素異形碳原子，自發(fā)現(xiàn)以來已在許多行業(yè)得到應(yīng)用[35]。石墨烯因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性能，以及易制備等優(yōu)點(diǎn)，在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，特別是用于功能纖維的制備及智能紡織品領(lǐng)域[36-37]。而氧化石墨烯(GO)是石墨烯的重要衍生物,石墨烯經(jīng)氧化后,其含氧官能團(tuán)增多,性質(zhì)也較石墨烯更為活躍。與傳統(tǒng)碳基材料不同之處在于,在復(fù)合材料納米填充物中加入少量的氧化石墨烯,可使其具有良好的導(dǎo)電、力學(xué)和導(dǎo)熱性能[38]。Bai等[39]將氧化石墨烯涂層工藝與還原聚酯纏繞氨綸絲工藝相結(jié)合，建立了一種簡便、低成本的石墨烯薄膜紗線傳感器(graphene thin film enabled yarn sensors,GYS)的構(gòu)建方法。通過系統(tǒng)的加工性能關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸處理可以很好控制和調(diào)節(jié)GYS的電阻恢復(fù)程度和厚度靈敏度。Tas等[40]采用浸涂法對3000 tex的聚酰胺單絲紗進(jìn)行了氧化石墨烯納米材料的涂覆。然后用綠色化學(xué)還原法還原氧化石墨烯層，得到還原氧化石墨烯包覆單絲紗。通過物理、電學(xué)、光學(xué)和形態(tài)學(xué)研究，對氧化石墨烯和還原氧化石墨烯包覆聚酰胺單絲紗線的性能進(jìn)行了表征。

用石墨烯直接涂覆能夠拉伸紗線或織物基材，可以為可穿戴設(shè)備提供所需的功能。浸涂法是最常用的將石墨烯納米顆粒嵌入基材的方法，因?yàn)樗且环N簡單且成本低廉的方法，能夠產(chǎn)生均勻的涂層。然而，這種方法制備的石墨烯基紡織品表現(xiàn)出相對較低的導(dǎo)電性和較差的機(jī)械耐久性，需要額外的處理。Yun等[41]在常規(guī)絲光功能化的棉紗(cotton yarns,CYs)上涂覆還原氧化石墨烯(RGO)片。采用拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電鏡(SEM)和高分辨光學(xué)顯微鏡對樣品的表面形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，室溫絲光處理對制造高柔性和機(jī)械穩(wěn)定性的導(dǎo)電紗是有效的方法。Son等[42]提出了一種基于石墨烯-紗線復(fù)合材料(graphene-yarn composite,GYC)的柔性應(yīng)變傳感器，該復(fù)合材料通過石墨烯納米板的噴涂獲得。為了提高拉伸性能，將石墨烯納米片噴涂在預(yù)拉伸紗上。與浸涂法相比，噴涂法不僅提高了3.68倍的電導(dǎo)率，而且提高了2.1倍的拉伸性能。該傳感器噴涂400次后，具有310%的高拉伸性能，如圖3 (a)，(b) 所示。這種傳感器可用于監(jiān)測個人手指的運(yùn)動，如圖3(c)，(d)所示。石墨烯基導(dǎo)電填料具有良好的柔軟性和應(yīng)變敏感性,可用于智能可穿戴裝置中。但紡織品與導(dǎo)電填料之間的附著力差,在使用過程中容易出現(xiàn)脫落的問題。所以，選擇優(yōu)異的黏合劑或優(yōu)化工藝方法，提高紗線與填料之間的黏合強(qiáng)度，使紗線固有的拉伸性能得到充分利用是需要解決的問題。

圖3 石墨烯-紗線復(fù)合材料的柔性應(yīng)變傳感器的表征結(jié)果[42]

1.3 導(dǎo)電聚合物基導(dǎo)電紗線

導(dǎo)電聚合物是一種柔彈性好、導(dǎo)電性能優(yōu)異的高分子材料。在導(dǎo)電聚合物中，聚苯胺、聚吡咯因具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和導(dǎo)電性而受到廣泛關(guān)注[43-45]。聚合物鏈中的雜原子在獨(dú)特的導(dǎo)電機(jī)制中起著重要作用。由于電子的廣泛離域，導(dǎo)電聚合物很難加工成纖維或長絲[46]。因此，通常將導(dǎo)電聚合物與傳統(tǒng)絕緣聚合物或材料混合來制備不同的導(dǎo)電復(fù)合材料，從而使導(dǎo)電復(fù)合材料保持傳統(tǒng)聚合物的力學(xué)性能和導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性[47-48]。導(dǎo)電聚合物基導(dǎo)電紡織品可采用原位化學(xué)、原位電化學(xué)、原位氣相聚合、溶液涂覆等方法制備。原位聚合法主要是將紡織品浸漬在導(dǎo)電聚合物單體溶液中，通過溶液中氧化劑的作用發(fā)生氧化聚合，使得導(dǎo)電聚合物沉積在紡織品表面，從而賦予紡織品一定的導(dǎo)電性[49]。Pan等[50]報道了利用聚多巴胺功能化處理后在紗線表面原位聚合聚吡咯(PPy)，并以編織復(fù)合紗線為原料制造高靈敏度耐磨應(yīng)變傳感器。研究了編織復(fù)合材料的機(jī)電性能和應(yīng)變傳感特性。Mallika等[51]采用原位聚合法將棉紗經(jīng)23.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)吡咯水溶液處理后，再經(jīng)40.6%三氯化鐵水溶液處理，然后在大氣中干燥，紗線的導(dǎo)電性、拉伸強(qiáng)度和伸長率都得到了改善。在環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和摩擦紡這三種紗線中，環(huán)錠紗在導(dǎo)電性和強(qiáng)力保持方面表現(xiàn)最好。Yildiz等[52]通過氣相聚合技術(shù)在各種引發(fā)劑濃度下制備聚吡咯(PPy)涂層棉紗，分別以四種不同濃度(0.2，0.4，0.6 mol/L和0.8 mol/L)的氯化鐵(FeCl3)用作引發(fā)劑，研究引發(fā)劑濃度對棉紗拉伸、電學(xué)和形態(tài)學(xué)性能的影響，并將聚吡咯沉積的滌綸紗線織成織物，以研究電磁屏蔽效果。

采用原位聚合法制備的導(dǎo)電纖維具有制備方便、纖維導(dǎo)電率較高等優(yōu)點(diǎn)，但這種方法難以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電纖維的連續(xù)制備，設(shè)備設(shè)置也較為復(fù)雜。因此，可通過工藝改進(jìn)降低原料的消耗，提高紗線導(dǎo)電穩(wěn)定性。Hong等[53]提出了一種基于原位聚合的新方法，并實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電紗的連續(xù)制備。為了降低制備過程中苯胺、摻雜酸、氧化劑等原料的消耗，提出了進(jìn)一步的改進(jìn)措施。采用改進(jìn)的原位聚合法制備了聚苯胺包覆導(dǎo)電絲素(silk fibroin,SF)紗。結(jié)果表明，改進(jìn)后的方法比原方法降低了能耗，原材料減少90%以上。處理后的紗線具有良好的導(dǎo)電性能。Liu等[54]用一種簡單方法制備了聚苯胺(PANI)導(dǎo)電PET絲，即在PET紗表面預(yù)先施加苯胺和HCl蒸汽，然后對PET紗進(jìn)行后續(xù)介質(zhì)阻擋放電等離子體處理。最佳樣品的體積電阻率約為對照樣品的1.8×105倍，如圖4所示。此外，由于等離子體接枝在PET紗線表面的含氧、含氮極性基因通過與空氣射流中的水分子形成H鍵引起空氣阻力上升。研究發(fā)現(xiàn)，隨著PANI涂層量的增加，PET紗線的空氣阻力逐漸改善。導(dǎo)電聚合物基紡織品由于其靈活性、固有的機(jī)械剛度、可伸縮電子設(shè)備的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是可穿戴技術(shù)的合適選擇。目前遇到的問題是很難加工成纖維或長絲，固有導(dǎo)電聚合物的力學(xué)性能較差，不溶于水，呈現(xiàn)非熔融特性。為此，需要將固有導(dǎo)電聚合物與日常使用的聚合物結(jié)合起來，以克服預(yù)期的力學(xué)和物理性能。通過將導(dǎo)電聚合物沉積在紗線表面的方法存在導(dǎo)電聚合物分布不均勻和黏合度不夠好的缺點(diǎn)，導(dǎo)致電學(xué)穩(wěn)定性和耐久性較差。因此，可以選擇合適的方法對紡織品工藝改進(jìn)，如采用等離子體和超聲波處理。

圖4 導(dǎo)電PET紗線的制備過程示意圖(a)，PANI理想氧化態(tài)的化學(xué)結(jié)構(gòu)(b)，以及PANI包覆量(ΔM)對PET紗線體積電阻率的影響(c)[54]

2 導(dǎo)電紗線在可穿戴裝置中的應(yīng)用

2.1 可穿戴應(yīng)變傳感器

可穿戴應(yīng)變傳感器具有質(zhì)量輕、舒適性和便攜性等獨(dú)特的優(yōu)越性能[55-57]?？梢詫?shí)現(xiàn)在連續(xù)人體運(yùn)動檢測、體育鍛煉、應(yīng)急救援等各個領(lǐng)域的應(yīng)用，是下一代電子產(chǎn)品的最佳候選者之一[58]。這些傳感器在紡織品上的集成可以通過幾種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、印花轉(zhuǎn)移、靜電紡絲和浸涂等。由于市場上的拉伸傳感器主要為剛性材料，缺乏柔性，從而降低了傳感器的使用范圍。利用導(dǎo)電紗線設(shè)計和構(gòu)建基于織物的應(yīng)變傳感器是近年來備受關(guān)注的研究領(lǐng)域[59-60]。Nan等[61]設(shè)計了一種具有高柔度和可織性的織物傳感器，可以檢測由壓力、應(yīng)變和彎曲引起的機(jī)械力?？椢餇顐鞲衅饔稍趶椥约喚€上纏繞氧化石墨烯摻雜聚丙烯腈納米纖維紗線與原位聚合導(dǎo)電聚吡咯形成的復(fù)合紗線(GCNF@ECYs)編織而成，如圖5所示。GCNF@ECY傳感器單元靈敏度高(規(guī)范因子約68)、壓力傳感范圍寬、循環(huán)穩(wěn)定性和重復(fù)性好(超過10000次循環(huán))。該傳感器可以檢測人體呼吸、面部表情、脈搏監(jiān)測和全方位的人體運(yùn)動。Souri等[62]對石墨烯納米片(GNPs)和炭黑(CB)包覆天然纖維紗線制備導(dǎo)電紗線進(jìn)行了系統(tǒng)研究。利用高導(dǎo)電紗線制造耐磨、可拉伸和耐用的應(yīng)變傳感器。應(yīng)變傳感器顯示出良好的靈敏度，根據(jù)施加應(yīng)變和位移率的大小，規(guī)范因子為1.46～5.62。應(yīng)變傳感器對高達(dá)60%的應(yīng)變顯示出可靠的機(jī)電響應(yīng)，表明其在人體運(yùn)動檢測中的潛在應(yīng)用。

圖5 電子織物的制造示意圖(a)，GCNF@ECY的原始和拉伸光學(xué)圖(b)，電子織物和相同材料在雙軸拉伸狀態(tài)下的光學(xué)圖(c),(d)[61]

2.2 可穿戴超級電容器

超級電容器(SCs)作為儲能器件具有高功率密度、長循環(huán)壽命、高倍率性能、環(huán)保、易維護(hù)、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注[63-64]。近年來，可穿戴超級容器正在迅速發(fā)展，在能量收集、微型機(jī)器人、電子紡織品、表皮和可植入醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力[65]?？蓮澢涂衫祀姌O是制備柔性超級電器的關(guān)鍵。一維柔性紗形超級電容器具有體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便、可編織等優(yōu)點(diǎn)，是未來可穿戴電子產(chǎn)品的理想選擇[66-70]。Zhang等[71]采用不銹鋼/棉混紡紗線作為支撐體和集流器，生產(chǎn)聚吡咯包覆紗電極。在電流密度為0.6 mA·cm-2的條件下，制備的紗線超級電容器(yarn supercapacitor,YSC)具有344 mF·cm-2的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性(1000次循環(huán)后電容保持率接近93%)。此外，YSC具有優(yōu)越的柔韌性，可以在不破壞其原有結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的情況下編織到其他織物中，滿足可穿戴電子儲能器件的要求。Kang等[72]通過分步化學(xué)鍍、電鍍和煅燒工藝，使用商品尼龍紗作為基底，制造了高多孔鎳紗(porous nickel yarns,PNY)。PNY由直徑為5～10 μm的中空管狀結(jié)構(gòu)的多根纖維組成，可通過便捷的毛細(xì)管作用過程吸收CNTs溶液。制備的CNTs/PNY電極表現(xiàn)出典型的電化學(xué)雙層電容性能，具有良好的柔韌性。

2.3 可穿戴電熱裝置

柔性電加熱元件是為可穿戴熱電服裝提供能量的重要部件，由導(dǎo)電材料和基底材料構(gòu)成。導(dǎo)電紗線作為加熱電阻元件應(yīng)用到加熱織物或加熱服裝中，是近年來智能加熱服裝的一個重要研究方向[73-75]。Zheng等[76]通過大規(guī)模縫制基于碳納米管紗線的分段熱電紗線(thermoelectric yarns,TEYs)，制備了有機(jī)間隔織物形狀的三維熱電紡織品(three-dimensional thermoelectric textiles,TETs)，如圖6所示。結(jié)合有限元分析和實(shí)驗(yàn)評價，說明織物結(jié)構(gòu)顯著影響發(fā)電量。優(yōu)化設(shè)計的TET具有良好的耐磨性和穩(wěn)定性，在ΔT=47.5時輸出功率密度高達(dá)51.5 mW/m2，比功率高達(dá)171.7 μW/(g·K)。Wang等[77]探討了不同電壓及應(yīng)變負(fù)載下，單一型三組分彈性導(dǎo)電復(fù)合紗線(tri-component elastic-conductive composite yarns,t-ECCY)的熱響應(yīng)與穩(wěn)定性。研究表明，在不同的外加電壓和應(yīng)變變形條件下，紗線的熱響應(yīng)迅速，表面溫度分布均勻，紗線的穩(wěn)定性也通過交流電壓開關(guān)周期得到證實(shí)。紗線在靜態(tài)和動態(tài)兩種模式下的性能表明了其在服裝上施加特定電壓受熱均勻的潛力。t-ECCY裝飾針織物不僅適用于顯示、局部加熱等功能，而且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)50次循環(huán)、膨脹釋放應(yīng)變測試，其功能性能幾乎沒有退化。紗線的簡單加工和優(yōu)良的多功能特性是進(jìn)一步設(shè)計和開發(fā)復(fù)雜、可伸縮和可穿戴的加熱電子產(chǎn)品的重要步驟。

圖6 TEYs制造過程示意圖[76]

2.4 其他

導(dǎo)電紗線由于可穿戴和電學(xué)性能良好，還可以作為信號傳輸和一些儲能裝置。鋰硫電池具有較高的理論容量和能量密度，被認(rèn)為是一種很有前途的選擇。Yuan等[78]以含氮碳/碳納米管/硫(NCNT/S)復(fù)合陰極和鋰金屬陽極為基礎(chǔ)，研制了電纜型鋰硫電池。采用濕法紡絲和炭化工藝制備了導(dǎo)電率高、摻氮量適當(dāng)?shù)奶技{米管紗線，并將其作為活性材料的自支撐導(dǎo)電骨架。NCNT/S紗線具有高的初始電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.5 ℃下循環(huán)200次后，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，容量保持率達(dá)到87%。Choi等[79]為了給電子紡織品傳輸信號和能量，提出了一種具有0.01 Ω·m導(dǎo)電性的新型結(jié)構(gòu)彈性雜化紗線，通過對直流電阻、共振頻率、S11(反射)、S21(傳輸)的測量和比較，探討了其應(yīng)用于可穿戴紡織品電信號傳輸?shù)目尚行浴?/p>

3 結(jié)束語

隨著柔性可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展，智能可穿戴產(chǎn)品不僅需要滿足紡織物的基本特性，而且可根據(jù)需要添加其他輔助功能性，如紫外線照射、抗菌、阻燃等。對于智能可穿戴產(chǎn)品，除了材料具有良好的電學(xué)性能，還需要具備耐洗滌性、柔性、彈性、透氣性、可低成本批量加工等性能，以實(shí)現(xiàn)較長的生命周期和穿著舒適性。因此，實(shí)現(xiàn)智能可穿戴裝置的大規(guī)模生產(chǎn)仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。研究導(dǎo)電材料與紡織柔性材料的有機(jī)融合方式、紡織技術(shù)在柔性智能可穿戴裝置加工中的應(yīng)用，是發(fā)展可穿戴智能產(chǎn)品的重要途徑。智能可穿戴裝置已在不同的領(lǐng)域展現(xiàn)了許多新的可能，并廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、智能醫(yī)療等各個領(lǐng)域。導(dǎo)電紗線的開發(fā)與智能可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展有著密切關(guān)系。研究固有柔性導(dǎo)電纖維材料、固有彈性導(dǎo)電纖維材料的制備技術(shù)是智能可穿戴導(dǎo)電紗與可穿戴裝置創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。碳基導(dǎo)電紗線與高分子導(dǎo)電聚合物基紗線由于其優(yōu)異的電學(xué)性能和柔韌性，得到了越來越多的關(guān)注。對于涂覆導(dǎo)電紗線，普通紗線與涂層導(dǎo)電材料的黏合性、均勻分布性以及紗線的導(dǎo)電靈敏性、耐久性、可洗性、柔性、應(yīng)變性仍是研究的主要問題。