摘要
弹性导电纤维结合了可拉伸性和导电性，具有小巧轻便、柔性好、可编织、与皮肤保形接触等优点，是构建高性能可穿戴电子器件和设备的重要材料。在实际的应用中，弹性导电纤维的设计制备需要综合考虑拉伸性、导电性、力电耦合特性等关键性能之间的平衡和制约，同时也要考虑纤维的微结构对其功能和穿戴舒适性的影响。然而，弹性导电纤维的关键性能优化和微结构调控方面还需要更加系统和深入的研究。本文提出了一种基于静电纺丝弹性纱线和银纳米线（AgNWs）浸渍涂敷构筑连通多孔结构弹性导电纱线的新策略，并对纱线的关键性能优化和多孔结构调控进行了系统的研究。本文的主要研究内容和取得的成果包括： （1）采用静电纺丝法制备了连通多孔结构的聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）（SBS）纱线并实现了连续长纱线（3 m）的纺制，命名为pSBS纱线。研究发现，pSBS纱线的多孔结构和力学特性可通过调节纺丝液质量分数和供液速度进行调控，而纱线的直径可通过改变纺丝时纱线的收集时间进行调节。通过纺丝液和纺丝参数优化以后，pSBS 纱线的拉伸率可达2400%，而相应的孔隙率为62.4%，其直径可在0.7 - 1.8 mm范围进行调节。 （2）以连通多孔结构的pSBS纱线为基底，通过浸渍涂覆的方法在纱线表面包覆银纳米线得到弹性导电纱线，命名为AgNWs@pSBS纱线。研究发现，导电纱线中AgNWs载量、导电性和电学稳定性都随着pSBS纱线的孔隙率增大而提高，但过低和过高的孔隙率都不利于获得高的拉伸率。综合考量导电性、拉伸率、稳定性等因素，本文采用孔隙率为62.4%的pSBS纱线作为基体材料（纺丝时间、纺丝液质量分数和供液速度分别为：5 min、20 wt%、8 mL/h）。另一方面，增加浸渍涂覆次数可增加纱线的AgNWs载量和导电性，但过多的浸渍次数反而引起AgNWs层的脱落，从而导致导电性、拉伸性和电学稳定性的下降。三次浸渍涂覆可得到综合性能最佳的纱线（电阻2.2 Ω/cm、拉伸率2970%、114%应变（临界应变）下Q值（品质因子，衡量导电稳定性能）达到0.22）。相比于以非多孔SBS纱线作为基底制备得到的弹性导电纤维，AgNWs@pSBS纱线的拉伸性、导电性、电学稳定性和使用耐候性（包括反复拉伸、扭转、粘撕、摩擦、洗涤）都得到了显著的提升，其原因归结于AgNWs导电层部分扎入多孔pSBS纱线基底形成的类树根结构，在导电层和绝缘基底之间起到锚固的作用。 （3）通过SBS原位静电纺丝的方法对AgNWs@pSBS纱线进行了绝缘包覆。研究表明，SBS静电纺丝纤维包覆层可以起到很好的绝缘效果，同时还可以保持纱线良好的透气透液性能。此外，SBS微纳纤维包覆层还可以显著提升弹性导电纱线的电学稳定性（Q 值增加了 130%）和使用耐候性（反复扭转、撕裂、摩擦或长时间洗涤后，电阻上升小于8%）。基于SBS原位纺丝和AgNWs浸渍涂覆交替施行的策略，本文进一步实现了包含多层AgNWs导电层的复合弹性导电纱线，为实现高性能、多功能可拉伸纤维器件提供了新的方法。 （4）探索了 AgNWs@pSBS 纱线的潜在应用。首先以这种弹性导电纱线为可拉伸电路构建了柔性发光器件。得益于纱线的高电学稳定性，发光器件在拉伸、弯曲和扭转过程中都可以保持稳定地发光。进一步探索了包含双层AgNWs导电层的复合纱线作为电容型敏感元件在应变和汗液方面的潜在应用。研究表明，这种器件的电容随着拉伸应变的增加而增加，从而实现对应变的传感，灵敏度和应变传感范围分别达到6 - 31 nF/μL和 0 - 30%。得益于器件连通多孔的结构，人工汗液可以顺利进入器件电容的多孔介电层从而显著改变器件的电容大小，从而实现汗液传感。本文进一步将纱线编织成网络矩阵结构，制备了阵列化的汗液传感器件。研究表明这种器件可以实现汗液位点寻址检测。
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