弹性纤维或织物，用于可穿戴设备和生物电子产品，有什么好处？

孤行人

文 |言上月
编辑 | 言上月

可穿戴设备和生物电子技术在构建软智能接口方面发挥着重要作用，以桥接生物体（如皮肤、组织、器官、植物等）、物体及其周围环境，实现更安全、高效和动态的交互或能量或信息交换。
几乎所有的生物，如人类、动物和植物，都需要正常的呼吸来维持各自的生理功能和正常生长。

附着、佩戴在生物体表面或植入体内的功能性电子产品需要具有出色的空气或水分渗透性，确保舒适性、生物安全性和生理代谢。
纤维或织物具有出色的生物亲和性、透气性和机械性能，可用于构建理想的可穿戴设备和生物界面电子产品。

大多数现有生物的表面不平坦，具有硬或软特征，这表明与这些多特征生物的无缝集成和高效交互需要具有出色机械柔顺性的设备。
弹性表示材料适应机械弯曲、拉伸、扭曲和剪切变形的特性，它可以在机械力释放后自行恢复到其初始形状或性能。
因此，实现具有优异弹性和电气功能的纤维或织物对于构建可穿戴设备和生物电子学具有重要意义，以满足智能生物界面的应用需求。
以棉、麻、丝、毛等为代表，通过加捻、缝合、针织、机织等常规加工技术，广泛用于保暖和装饰的纱线或纺织品。

20世纪人们对功能性纺织品的渴望推动了合成纤维（氨纶、丙纶、涤纶等）的快速发展，伴随而来的是微流控纺丝、热纺等一系列新的生产工艺绘画、印刷等。
新材料和新兴技术的快速发展使得弹性纤维或织物可以通过材料创新、组件集成、结构设计和编织图案等策略实现。
因此，作为器件电极的导电材料可以引入平行结构、核壳结构和多轴结构的纤维中，加捻或盘绕结构的纱线中，并通过缝纫、编织或无纺布制造结合到织物中。

实现导电材料与弹性纤维或织物的无缝结合，可以构建丰富的界面电子，有望实现生物体与周围环境的全面交互，如能量交换、感知增强、信息通信等。

弹性纤维或织物是指材料在本质上对外部刺激具有可变形和可恢复性（弯曲、拉伸、扭曲、剪切），或适应于适应和保持变形以满足设备配置或应用场景的要求。

弹性纤维或织物通常源自天然和合成材料,天然弹性纤维受益于植物或动物的生理特征所提供的固有可变形微结构。
合成弹性纤维或织物通常依赖于具有动态分子位移和重组的可变形基体，这可以减轻导电材料或路径在变形时的损坏。
羊毛和蚕丝因其固有的线圈结构或分子链高度排列的β相结晶而以天然弹性和高模量著称。

由于天然特性和结构稳定性，纤维通常很难被赋予较高的弹性,在现代加工技术的推动下，传统的纺纱技术经历了创新，可用材料不再局限于天然弹性羊毛和丝绸，而是进一步扩展到聚合物、半导体、和导体。
赋予纤维或织物拉伸性的常用方法是将弹性材料直接纺成纤维或将其作为其他功能性填料的柔性基质进行纺丝。
弹性聚合物通常由柔性长链和刚性短链的动态组合组成,由于柔性部分的随机弯曲，制备的纤维在非拉伸条件下是柔软的。

外力导致刚性短链链段通过克服分子间力而被部分破坏，从而使无定形链段链发生轴向位移，从而引起柔性长链链段的伸长，从而导致纤维的轴向几何变化，出现作为宏观变形。
当外界压力消除后，通常聚氨酯 (PU) 是最常用的商业弹性聚合物，因为它包含柔性长聚乙二醇链和硬质部分，可以拉伸至其原始尺寸的 500 倍。
PU作为弹性基体，通过传统纺丝或生产工艺广泛应用于功能性弹性纤维或织物的加工，如湿法纺丝、热拉伸、挤出、流延、涂层、模板、印刷、等等，可以结合不同的功能成分来丰富弹性纤维或织物的功能和应用。
图1描绘了几种典型的纤维结构，例如单丝、核壳结构和海岛结构。

图1 纤维、纱线、织物形式的弹性材料的结构示意图
除了弹性成分的化学结构赋予的内在变形效应外，纱线或织物的各种编织设计也可以为织物或纺织品提供弹性。
纱线是通过加捻或缠绕形成的纤维集合体，它们的机械性能取决于纱线中纤维的排列方式以及纤维本身的特性（图 1b).
图1b
纱线可以通过加捻或构建包芯结构来扭转，这会促使聚合物链段的结构变成螺旋取向，纱线中的纤维变得更加紧密，这一过程也被认为是赋予纱线必要的过程一定的强伸长率和稳定的外观。
结构紧密耐用的纱线弹性强，而结构松散的纱线弹性相对较差。复合纱的性能还与混纺中纤维的组成和含量有关，添加弹力纱线混纺也提高了纱线的整体弹性和回复性。
图1c图显示了弹性物质或弹性纱线与织物结合的可能方式。
图1c
织物是由纺织纤维或纱线形成的具有一定机械性能和厚度的柔软物品。
根据各自的加工技术，不同的纺织品可分为梭织、针织或无纺布，织物弹性与纱线弹性一样，主要由材料选择、纱线结构、密度以及织物结构和密度决定。
弹力纱在针织和梭织纺织品中的引入方式类似，下面以针织面料为例。由于线迹的弯曲形状以及纱线可以从一根线穿过相邻线迹的事实，针织物的线迹可能会显着变形。
针织物具有优良的伸长性能，其编织强度高，线与线之间的相互挤压和摩擦小，其中线圈在拉伸时变形区域大，纱线在交织处错位移动观点。

此外，纱线的明智选择在织造过程中至关重要，例如在电极纱线的交织和互锁过程中，机织和针织操作通常会产生高抗拉性和抗撕裂性，因为可以穿插弹力纱线。
另一种可用的方法是通过静电纺丝、微流体纺丝和吹纺将导电填料随机插入纤维材料中（图 1d），或通过3D打印技术有序组装活性电极（图 1e)。
图1d

图1e
它们可以为电子纺织品提供多功能的结构和功能，这些工艺高度依赖多功能、功能性油墨，这些油墨具有适应性，可用于精确印刷或大规模制造。
传统纺织工程工艺与新兴微或纳米加工技术的结合可以实现具有先进性能的弹性纤维或织物，为进一步构建具有机械柔顺性和界面自适应性的基于纤维或织物的弹性电子器件提供重要的基底和材料，这有望弥合可穿戴设备和生物电子学之间的技术差距。

电极是电子器件中进行电荷转移、电流收集和信号转换的关键部件之一，确保电子器件在能量收集、能量存储、传感、驱动、转换和通信等领域正常工作。

对于基于弹性纤维/织物的设备，可变形电极的无缝结合仍然是一个巨大的问题，因为它们的机械性能和表面特性不匹配。
目前，已经开发了各种功能导体用于功能集成，以实现具有纤维、纱线和纺织品形式的电极的设备，例如碳基材料，纳米金属, 二维过渡金属碳化物/氮化物,金属凝胶(MOG),液态金属(LM),液晶等等。
纤维是纱线/织物的基本单元，弹性导电纤维有助于构建单根纤维器件，实现弹性纱线/织物器件的精确加工。
有多种策略可以实现弹性导电纤维，例如涂层、共纺、同轴纺丝、热拉伸和溶液挤出。

湿法纺丝常用于复合功能纤维的加工，如弹性体基体与导电填料共混前驱体可生产出弹性导电纤维。
例如，将热塑性聚氨酯与多壁碳纳米管 (CNT) 混合，制备出导电率可调的弹性纤维，弹性好，弹性可达 310%，拉伸强度高达28 MPa。
同样的，基于金纳米结构 (Au CNs) 的催化能力，设计了具有电化学特性的导电和可拉伸纤维传感器，用于检测 H 2 O2，如图2所示。

图2 导体与弹性纤维的整合策略
所得纤维由嵌入 PU 中的 MXene 和 CNT 组成，表面有鹅卵石状 Au CN。
该纤维具有出色的导电性和机械柔顺性，以及弯曲叶片上的良好保形性，允许在 0.1 V 的应用电位下快速还原 H 2 O2。
由于纤维的横截面积相对较小，复合纤维中的导电填料在变形时难以形成可靠的导电路径，因此纤维通常在导电性和拉伸性之间的权衡中受到限制。
这种弹性纤维通常表现为对机械变形的高导电响应，更适合用作电阻传感器而不是电极。

它启发了在变形时保持连续的导电结构对于实现可靠的导电性很重要。
更多的努力致力于开发具有各种拓扑结构的弹性纤维，例如允许连续电极形成为纤维的核或壳的核壳纤维，能够提高导电稳定性。
通过石墨片的涂层工艺，开发了一种基于丝纤维的应变传感器。
在 15% 应变范围内进行 3000 次拉伸循环后，传感器保持良好的灵敏度，应变系数为 14.5。
在电刺激下，创造出了具有快速收缩率和高收缩率的电热敏感液态金属液晶弹性体 (LM-LCE) 纤维。

而且在电和热的双重反应下，这种设计可以模仿人造肌肉并进行自主动力驱动。
在另一个例子中，成功地将捻度引入LCE纤维中，即纤维的取向发生倾斜，使LCE纤维不仅在热刺激下完成纵向长度的收缩，而且还伴随着高度的扭转和变形。
弹性 LCE 纤维在执行器和软机器人方面展现出巨大潜力。
同轴纺丝是制备具有芯-鞘结构的可拉伸导电纤维的一种更有效的方法，其中弹性体基体或可变形导电材料通常充当壳来封装导电填料，并使纤维的导电性在拉伸过程中不会受到很大影响。

例如，利用同轴湿纺法制造具有 MXene或PU护套和纯PU芯的弹性纤维，可以承受高达 150% 的拉伸应变 1000 次循环并保持良好的稳定性。
具有弱非共价互连的 MOG 可以维持可逆的溶胶-凝胶转变，以响应振动、光、pH 和温度等外部刺激。
而MOG作为导电芯，开发了用于可穿戴传感器的MOG-热塑性弹性体（TPE）的核壳弹性纤维。

即使在大变形下，该纤维也显示出对溶胶-凝胶转变的快速响应能力（100 ms）和稳定的导电性。
通过附着在肘部、手腕、手指和膝盖上以在极端条件下监测人体运动，展示了光纤的应用潜力。
在 200 的大变形下实现仅 4% 的微小电阻变化%，显示出智能织物和自供电传感器的巨大潜力。

柔性电子引发了一场激烈的技术革命，利用可穿戴设备和生物电子技术为生物体、物体和周围环境之间的能量和信息交互构建更智能的平台。

具有独特机械柔软性和结构优势的弹性纤维或织物可以帮助电子设备提高其机械柔顺性和功能渗透性，在身体、皮肤、器官、植物和机器之间建立操作友好和生物相容的界面。
提供能量收集的可能性、信息交互、健康监测和疾病检测，以及干预治疗。
在提高电子纺织品的可拉伸性、敏感性、生物友好性、电输出和功率密度特性方面取得了重要进展。
然而，现有的产品和开发方法在工业规模制造、高电输出、信号灵敏度和保真度、多样化环境适应性、多场景现场应用等方面与应用的实际需求并不高度匹配。

对于基于纤维或织物的可穿戴设备和生物电子，核心问题是材料和技术限制，无法实现设备组件的有效集成，组件之间以及设备与基板之间良好的界面适应性，这对于设备连续运行至关重要稳定性高、灵敏度高、保真度高。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0oqQy1fr
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