一、研究背景

近年来，电子皮肤和可穿戴电子设备在人体健康监测和人机交互等多个领域显示出巨大的应用潜力。这些技术具有出色的传感能力，可以无缝地融入日常生活。然而，要确保其成功实施，仍需克服材料和性能方面的挑战。以聚合物为基础的柔性轻质电子表皮，尤其是使用水凝胶的电子表皮，受到了广泛的研究关注。这些材料具有柔性、弹性和轻质等理想特性。然而，汗液蒸发、氧气渗透性和热扩散等因素往往被忽视。为人体运动检测而设计的便携式传感器应确保具有足够的柔韧性和透气性等性能要求。认识到现有材料的局限性，研究人员将注意力转向了织物传感器。织物传感器具有可穿戴的优点，与人体皮肤的接触更为自然。然而，传统的纺织材料通常是绝缘的，很难在智能纺织品中直接导电。因此，找到将导电材料与织物集成的有效方法对于实现基于织物的传感应用至关重要。

在研究的早期阶段，银、镍、铝和铜产品主要用作导电填料。为了实现更好的性能，人们在智能织物中采用了导电油墨、碳基导电聚合物、本征导电聚合物和导电聚合物。在各种方法中，无电极电镀法和特定吸附法是最有前途且成本效益最高的方法，可使银纳米粒子均匀分布在纤维表面。此外，该方法还能确保纳米粒子的强附着力，并将纳米粒子脱落的风险降至最低。相关研究报告称，通过电化学电镀和特定吸附方法，成功制备出了均匀负载银纳米粒子的复合纤维。

在制备功能性纤维的方法中，静电纺丝具有设备简单、操作方便、应用范围广、效率高等优点，已制备出多种具有高比表面积、高渗透性和高吸收效率的纤维。此外，电纺纤维的特性还可以通过电纺过程的控制得到改善。因此，静电纺丝被广泛应用于生物医学、过滤材料、复合材料、催化剂、食品科学等领域。导电电纺纤维的另一个重要部分是导电材料的选择和添加方法。银基体导电材料具有稳定的物理和化学性质，是应变传感器中常用的导电材料。作为功能纤维的主要基体，电纺纤维具有相对较高的机械强度、弹性和耐久性，是导电纤维的功能基础。在电纺溶液的候选材料中，聚偏氟乙烯具有优异的热稳定性、化学稳定性和机械性能，可实现各种不同的纤维结构和尺寸。电纺聚偏氟乙烯纤维是制备导电纤维的有效候选材料。考虑到银与电纺纤维的组合导电材料，能够实现纤维导电性能的方法有喷涂法、真空过滤法、超声波感应法、原位聚合法、无电解电镀法等。尽管上述方法都能实现纤维的导电性能，但电纺纤维的高导电性、高机械强度和高电感应灵敏度三者的结合还有待进一步提高。

本研究旨在解决具有高导电性和高灵敏度的导电电纺纤维的局限性，从而提高可穿戴电子设备和基于织物的传感应用的发展水平。为了实现这一目标，我们利用电纺技术制备了复合纤维。利用聚偏二氟乙烯（PVDF）的稳定性和 PVDF-PVP 的水溶性，成功制备了多孔纤维。然后对这些纤维进行硝酸银离子吸附，再进行还原，从而使纤维的表面和孔隙中都附着了银离子。随后，将纤维浸入还原溶液中，生成表面附着银颗粒的纤维。此外，还可通过调节硝酸银溶液的浓度来控制电纺纤维的导电性。此外，还利用应变传感器监测了各种接头的运动，验证了通过静电纺丝制备高导电性聚偏氟乙烯纤维膜的方法的可行性和效率。

二、摘要

吉林大学食品科学与工程学院常艳娇副教授团队，利用静电纺丝机，通过静电纺丝和高效银还原技术，成功制备了具有高导电性和高灵敏度的新型导电聚偏二氟乙烯（PVDF）纤维膜。在选择性溶解聚乙烯吡咯烷酮（PVP）致孔剂的基础上，获得了具有优异吸附性和机械强度的多孔聚偏二氟乙烯（PVDF）纤维膜，为制备银纳米粒子导电聚偏二氟乙烯（PVDF）纤维膜（AgNPs-PVDF）提供了结构基础。AgNO3 与 PVP 混合溶液中的 Ag+ 被吸收并保持在多孔结构的内部和表面。经过抗坏血酸与 PVP 混合溶液的还原作用，银纳米粒子被紧密地包裹在原有的多孔 PVDF 纤维膜中，实现了 2500 S/m 的最大电导率。AgNPs-PVDF 纤维膜兼具优异的导电性和机械强度，能有效、灵敏地检测喉咙发声、肘部、手腕、手指和膝盖的应变信号（测量系数为 23）。电纺导电 AgNPs-PVDF 兼具低电阻、高机械强度和柔软透气的特点，为导电纤维在可穿戴设备中的实际应用提供了一种新的有效制备方法。

三、结论

本研究通过静电纺丝成功制备了一种新型高导电性聚偏氟乙烯纤维膜。为了实现高Ag+吸收量，并在PVDF纤维表面获得足够的银颗粒，通过在PVDF静电纺丝溶液中加入并溶解PVP，构建了多孔PVDF纤维膜。根据导电部分从 ^Ag+到银粒子的还原反应过程，将多孔 PVDF 纤维膜转变为 AgNPs-PVDF 导电纤维膜。根据微观结构和官能团分析，大量银粒子与多孔 PVDF 纤维紧密连接，形成了稳定的导电网络。AgNPs-PVDF 导电纤维膜具有低电阻、高导电率、高灵敏度和机械强度等特点。此外，AgNPs-PVDF 导电纤维膜还具有线性电流-电压特性。循环拉伸释放试验表明，导电纤维在 4000 次循环拉伸和 20% 的应变条件下具有良好的重复性、稳定性和再现性。在应变从 0% 到 23% 的过程中，最大计因子值可达到 24.3，这为其优异的电传感性能奠定了基础。因此，所制备的 AgNPs-PVDF 导电纤维膜有望成为一种可穿戴电子设备，用于检测人体运动，包括手指、手腕、肘部、膝盖和喉咙的振动。AgNPs-PVDF 导电纤维膜优异的导电性和灵敏度归功于银元素的加入所形成的稳定的网络结构，为人机交互领域可穿戴导电纤维的制备提供了一种新颖的方法和独特的技术手段。

图1.导电多孔 PVDF 和 AgNPs-PVDF 纤维膜的制备流程图。

 

图2.(a) PVDF、(b) PVDF-PVP 和 (c) 多孔 PVDF 纤维膜的微观结构，以及 (d) 不同 PVP 含量的多孔 PVDF 的孔隙率。

 

图3.含 (a) 0.2 mol/L 和 (b) 1.2 mol/L 的导电 PVDF 纤维膜和含 (c) 0.2 mol/L 和 (d) 1.2 mol/L 的导电多孔 PVDF 纤维膜的显微结构、AgNPs-PVDF 导电纤维膜的能谱和 XRD。

 

图4.AgNPs-PVDF 导电纤维膜(a) 无应变和(b) 15%应变时的导电效果，(c) PVDF 导电纤维膜无应变和(d) 15%应变时的导电效果，以及(e) AgNPs-PVDF 导电纤维膜和(f) PVDF 导电纤维膜的_ΔR/R0变化。