上科大开发出导电蚕丝纤维规模化生产技术 助力智慧织物应用

上科大开发出导电蚕丝纤维规模化生产技术 助力智慧织物应用

上海科技大学研究团队近日开发出一种基于天然蚕丝的多功能导电纤维规模化生产技术。该技术通过碳纳米管混合浆料和浸泡-纺纱技术，成功制备出兼具优异力学性能和良好导电性的蚕丝纤维，为智慧织物在可穿戴设备、医疗监护等领域的应用提供了新的可能。

研究背景与意义

近年来，蚕丝基智慧织物在可穿戴设备、软体机器人、人机交互及实时医疗监护等高科技领域展现出广阔的应用前景。然而，现有导电蚕丝纤维的制备方法在机械性能、加工性和耐久性方面难以与传统纺织纤维媲美，限制了其规模化生产。

上海科技大学凌盛杰课题组与Tufts大学的David L. Kaplan教授及MIT的Markus J. Buehler教授合作，基于天然蚕丝开发出一种可规模化生产的多功能导电纤维。该成果论文"Design and Fabrication of Silk Templated Electronic Yarns and Applications in Multifunctional Textiles"于2019年10月9日被Cell旗下材料领域子刊Matter在线发布，并被Chemical & Engineering News同步报道。

连续化生产的导电蚕丝纱线（左），机械绣花（中）和织物（右）

创新技术与突破

研究团队设计了一种碳纳米管混合浆料，利用简单的浸泡-纺纱技术即可制备高性能导电蚕丝。相比其他基于蚕丝的功能化纤维的制备方法，如湿法、干法纺丝，碳化蚕丝等，这个新的策略几乎完全保持了天然蚕丝本身的结构及力学性能，并且可以稳定负载较大含量的导电纳米材料。

具体来说，该方案通过利用六氟异丙醇溶剂实现对蚕丝表面温和可控地溶解至发粘状态而不破坏蚕丝纤维的主体结构，同时在其表面均匀负载碳纳米管，形成牢固的碳纳米管-蚕丝粘附。匹兹堡大学的机械工程师Mostafa Bedewy在接受《Chemical & Engineering News》采访时指出，这是决定该工作成败的关键。

导电蚕丝纱线的制备及表征。（a）导电蚕丝纱线制备流程图。（b）单根导电蚕丝表面扫描电镜照片。（c）导电蚕丝纱线扫描电镜照片。

性能与应用潜力

力学测试表明，导电蚕丝的拉伸强度和应变分别为633±168MPa和12±4%，与天然蚕丝纤维相当。良好的综合力学性能使得导电蚕丝纱线可以经受剧烈的机械加工过程而直接制成织物或者绣花图案，并可耐受商业洗衣机的激烈水洗程序。

导电蚕丝纱线除了保持蚕丝固有的优异力学性能外，还获得了碳纳米管带来的疏水性、耐溶剂性、吸热保温性等特性。此外，它还具有对环境温度的电阻响应性：温度升高时电阻减小，温度降低时电阻增大，且这种响应具有良好的可重复性。

导电蚕丝纱线具有（a）疏水性。（b）耐溶剂（丙酮、乙醇、甲苯、甲酸、六氟异丙醇）腐蚀性，箭头所指处展示绣花基底无纺布已被腐蚀镂空。（c，d）吸热保温性，图为绣花机加工图案红外灯照射后的热像仪图像。（e，f）应力响应性，可用来监测行走或进行手势翻译。

MIT的Markus J. Buehler教授在接受《Chemical & Engineering News》采访时评价道："这是一项具有竞争力的，可以制备应用于现实世界电子纺织品的技术"。

研究团队与支持

本论文的第一作者为物质学院2019级博士生叶超以及物质学院凌盛杰课题组助理研究员任婧，通讯作者为上海科技大学物质学院凌盛杰教授，Tufts大学David L. Kaplan教授及MIT的Markus J. Buehler教授。上海科技大学为第一完成单位。

课题在开展过程中得到了中国科学院过程工程研究所王艳磊博士和MIT的靳凯博士在理论计算方面的协助，以及中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所的韩军研究员在材料表征方面的帮助。此外，上科大物质学院分析测试平台和电镜中心在材料表征方面也提供了大力支持。该研究得到了国家自然科学基金、上海浦江人才计划、上海扬帆计划及上科大启动资金等的支持。

文章来源：高分子科学前沿