北京师范大学刘楠教授课题组：一种可安全用于水下的可拉伸导电纤维

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可穿戴电子设备是指可以作为附件穿佩戴或植入人体的柔性智能电子设备。它们不仅可以用作生理监测或生物医学传感器，而且也广泛应用于包括能量转换和与存储、无线通信、无线充电及人机界面等系统。柔性可穿戴电子要求其本身在穿戴者日常生活及运动期间具有良好的机械顺应性，以实现良好的信号采集质量，并且要求轻量化耐用。将具有可拉伸性及导电功能的纤维织入纺织品中是制备服装形式的柔性可穿戴电子产品的一种方法，赋予织物以传感及信息处理等功能。

日常生活和运动中总是涉及到水环境，例如下雨、洗澡和游泳等。把可穿戴电子设备应用于水下，可以有效地检测或分析穿戴者的水下活动特征，例如运动员在雨中或水中训练时可实时监测其电生理信息变化。水下可穿戴电子也可用于检测水下生物的活动。因此，设计能够在全水环境下可靠工作的可拉伸导电纤维对于发展水下可穿戴电子产品，尤其水下可穿戴电子织物是非常重要的。虽然已经有一些工作研究了具有防水泼溅的导电纤维，但是尚未有工作系统地研究可在全水环境中且高应变下仍具有良好导电性及使用安全性的可拉伸导电纤维。因此系统地研究柔性可穿戴电子设备在全水环境中的安全性，以及在拉伸状态下的功能完善性及在全水环境中的耐久性，对于未来具有可拉伸性的可穿戴电子设备的实际应用至关重要。

图1. 芯鞘结构的可拉伸导电纤维（CSCF）用于水下可穿戴电子。a) CSCF结构示意图；b) CSCF制备过程。

为使柔性可穿戴电子产品在日常生活及运动中能够像普通穿戴织物一样在空气和水环境中均可稳定地使用，北京师范大学刘楠教授团队设计并制备了一种可安全稳定地应用于水下环境的可拉伸导电纤维（CSCF），拉伸状态下的CSCF可以在全水环境和一些恶劣环境（例如超声处理）中长期安全使用。此CSCF（直径约30微米）由Lycra（聚氨酯）纤维、多壁碳纳米管（MWCNT）、银纳米线（AgNWs）和苯乙烯-（乙烯-丁烯）-苯乙烯（ SEBS）从内到外依次复合而成。

图2. CSCF结构和表面形态。a) CSCF的纵向结构；b)不同应变下的CSCF电镜图片；c)CSCF与人类头发直径比较。

把MWCNT、AgNWs依次喷涂到预应变的单根Lycra纤维上，可得到具有高拉伸性的导电纤维（在100％应变下，ΔR/R₀〜0.1；在50％应变下，循环拉伸稳定性> 100,000次）。表面SEBS涂层能够显著减少电流（在5 V时<1μA）及有毒元素（Ag）的泄漏，从而避免危害人体健康。在具有弹性、生物友好性的SEBS保护下，CSCF可以被组装成可拉伸电感线圈，并可应用于水下无线充电。

图3. CSCF作为可拉伸电感线圈应用于水下无线充电。a) 水下无线充电贴示意图；b)无线充电电路图；c)无线充电贴细节图；d)无线充电贴贴附于黑色游泳衣上；e)水下可拉伸无线充电贴水下展示；

这项研究设计制备了一种可安全用于水下的可拉伸导电纤维，这是首次系统地研究可拉伸导电纤维在全水环境中使用时的性质特征，并在此基础上有望开发出实用的水下可穿戴电子产品。但后续研究仍然有一些挑战需要克服，例如水中两根或多根导电纤维之间的可靠连接、对人体安全性的深入评价、更低能耗及高质量的信号传输等。 

以上成果发表在Advanced Materials Technologies, 2019, DOI:10.1002/admt.201900880上。论文的第一作者为北京师范大学化学学院博士生张岩，从事低维材料的柔性可穿戴研究，通讯作者为北京师范大学刘楠教授。课题组网站：http://chem1.bnu.edu.cn/liunan/

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.201900880

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