北化工田明教授&北服吴汉光副教授Chem. Eng. J.：微流控纺丝技术制备全聚合物可拉伸导电纤维及其多功能智能可穿戴应用-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

近期，北京化工大学田明教授团队联合北京服装学院吴汉光副教授团队，利用微流控纺丝技术制备了一种核壳结构的全聚合物PU@PEDOT:PSS导电纤维，兼具高导电性（>220 S/m）、高拉伸性（>400%）和优异的机械性能，在智能可穿戴设备领域展现出广泛应用前景。相关研究以“All-Polymeric stretchable conductive fiber with versatile intelligent wearable applications via microfluidic spinning technology”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

本文要点：

1、本研究采用同轴微流控纺丝技术（MST）制备了一种具有核壳结构的全聚合物可拉伸导电纤维（PU@PEDOT:PSS纤维）。

2、通过调节流体组成和MST工艺参数来调整所得PU@PEDOT:PSS纤维的尺寸，进而优化其电学性能和机械性能。

3、该纤维由聚氨酯（PU）弹性壳层和H₂SO₄掺杂PEDOT:PSS导电芯组成，展现出超过220 S/m的高导电性和超过400%应变的优异拉伸性。

4、本研究提出了一种连续制备高机械强度、高拉伸性和高导电性的全聚合物导电纤维的便捷方法，可用于多种智能可穿戴设备，包括用于人体运动监测的超灵敏应变传感器、用于自供电冲击传感的织物基摩擦纳米发电机（TENG）以及用于保暖的电热转换织物。

与传统金属导线相比，全聚合物导电纤维具有以下关键优势：

1、轻量化

相较于金属导线，全聚合物纤维更轻，便于携带和穿戴，减少了设备的整体重量。

2、高柔韧性与拉伸性

由于采用了弹性聚氨酯（PU）作为外壳层，全聚合物导电纤维具有优异的柔韧性和拉伸性（可拉伸至400%以上），能够适应复杂的形变而不易断裂。

3、良好的生物相容性

导电聚合物（如PEDOT:PSS）具有良好的生物相容性，更适合与人体直接接触，适用于健康监测等可穿戴应用。

4、高导电性

通过掺杂H₂SO₄优化PEDOT:PSS核层，全聚合物导电纤维的导电性可超过220 S/m，满足智能设备对电学性能的需求。

5、安全性与可加工性

全聚合物材料避免了金属导线的尖锐边缘或液态金属的毒性风险，同时通过微流控纺丝技术（MST）实现了安全、快速、连续的制备工艺。

6、高集成性与可编织性

全聚合物导电纤维易于与织物集成，可编织成智能纺织品，用于多种应用场景，如应变传感器、自供电摩擦纳米发电机和电热转换织物。

7、耐腐蚀性

与金属导线相比，全聚合物导电纤维在潮湿或腐蚀性环境中更稳定，延长了使用寿命。

综上，全聚合物导电纤维在轻量化、柔韧性、生物相容性和加工性等方面具有显著优势，是传统金属导线的理想替代品，适用于多种智能可穿戴设备。

PU@PEDOT:PSS纤维的性能可以通过调控流体成分和微流控纺丝工艺参数得以优化，具体如下：

1、流体成分对性能的影响

（1）内层流体（PEDOT:PSS溶液）的成分调控：

PEDOT:PSS固体含量：当PEDOT:PSS的固体含量从5 mg/mL增加到15 mg/mL时，纤维核心的导电性显著提高（从27 S/m 提升至223 S/m），这是由于更高浓度的PEDOT:PSS分子链形成了更致密的导电网络。
H₂SO₄浓度：H₂SO₄的掺杂浓度对导电性有一定影响。当H₂SO₄浓度为05 M时，导电性达到最佳；进一步增加H₂SO₄浓度（如至0.15 M）对导电性影响不大，主要是由于PU外壳的致密性限制了H₂SO₄对PSS的去除效果。

（2）中间流体（PU/DMSO溶液）的成分调控：

PU浓度：PU浓度的增加（从160 mg/mL到240 mg/mL）会提高纤维的机械性能和导电性。较高的PU浓度增加了中间流体的粘度，从而促进了PEDOT:PSS链的取向排列，提升了核心的导电性（从196 S/m 提升至223 S/m）。
PU浓度对机械性能的影响：随着PU浓度的增加，纤维的拉伸强度显著提高，但断裂伸长率略有下降。此外，240 mg/mL PU浓度的纤维表现出最小的永久变形和最佳的弹性，能够在200%应变的循环拉伸-释放测试后恢复原状。

2、工艺参数对性能的影响

（1）流体流速的调控：

内层流体流速（2–1.4 mL/h）、中间流体流速（3–5 mL/h）和外层流体流速（固定为20 mL/h）的调节会影响纤维的直径和形态。
较高的中间流体流速会加速PU的固化，导致纤维直径的“提前固定”，从而影响纤维的尺寸和性能。

（2）固化过程的控制：

在MST过程中，流体的固化速率由PU/DMSO中间流体的粘度和流速决定。较高的PU浓度和适当的流速有助于形成致密的PU外壳，从而提高纤维的机械强度和稳定性。

（3）流体聚焦效应：

流体聚焦效应使PEDOT:PSS链在核心区域内有序排列，显著提高了导电性和机械性能。这种效应受流体粘度和流速的影响。

3、综合优化的流体成分与工艺参数

最佳内层流体：15 mg/mL PEDOT:PSS和0.05 M H₂SO₄。
最佳中间流体：240 mg/mL PU/DMSO溶液。
最佳工艺参数：内层流速、中间流速和外层流速的合理匹配，确保流体的稳定流动和纤维的均匀成型。

4、性能优化结果

通过上述流体成分和工艺参数的调控，PU@PEDOT:PSS纤维实现了以下性能：

高导电性：核心电导率达到223 S/m。
高机械性能：拉伸强度显著提高，表现出优异的弹性和最小的永久变形。
高拉伸性：断裂伸长率超过400%，适用于智能可穿戴设备。
多功能性：纤维可用于应变传感器、摩擦纳米发电机和电热转换织物等多种智能应用。

总之，通过调控流体成分和工艺参数，PU@PEDOT:PSS纤维实现了导电性、机械性能和拉伸性的综合优化，展现出广泛的应用潜力。

图1.（a）MST平台示意图。（b）PU@PEDOT:PSS纤维的微流控纺丝示意图。（c）核壳结构PU@PEDOT:PSS纤维的示意图。（d）PU@PEDOT:PSS纤维的SEM侧视图。（e）PU@PEDOT:PSS纤维的横截面SEM图像。（f）弯曲的PU@PEDOT:PSS纤维点亮一个LED灯。（g）打结PU@PEDOT:PSS纤维点亮一个LED灯。（h）30%应变拉伸前后PU@PEDOT:PSS纤维点亮一个LED灯。（i）PU@PEDOT:PSS纤维的智能可穿戴应用。

图2.（a）当PU/DMSO鞘液中具有不同PU含量时，PU@PEDOT:PSS纤维的内径和（b）外径。（c）具有不同内部流体成分的PU@PEDOT:PSS纤维的核心电导率。（d）当PU/DMSO鞘液中具有不同PU含量时，PU@PEDOT:PSS纤维的应力-应变曲线。（e）流体凝固效果示意图。（f）PU@PEDOT:PSS纤维内径与内部和中间流体的流速之间的关系（外部流体的固定流速为20mL/h）。（g）PU@PEDOT:PSS纤维的壳厚与内部和中间流体的流速之间的关系（外部流体的固定流速为20mL/h）。（h）D_inner/D_outer-Q_mid/Q_inner曲线。