厦门大学蔡端俊教授团队在彩色轻质导电纺织物研究中取得重要进展

研究背景：

电子纺织品是一项新兴的发展方向，被视为构建新一代可穿戴织物类电子器件的重要基本单元。但是在使纺织物导电化的过程中通常会以牺牲织物原本特性，如颜色、柔软度或光泽度等为代价，现有的导电纺织物都呈黑色或者灰色，或导电性、稳定性有待提高，严重影响其在可穿戴电子器件中的发展。近年来，研究者们也一直致力于优化纺织物导电化的方法，但彩色轻质的、高稳定性的导电纺织线至今一直无法实现。

成果掠影：

近日，厦门大学蔡端俊教授团队和美国杜克大学Benjamin J. Wiley教授团队合作在Advanced Science期刊发表了题为“Colorful Conductive Threads for Wearable Electronics: Transparent Cu-Ag Nanonets”的最新研究成果论文。该论文提出了一种简单有效的方法合成高质量的铜-银核壳结构纳米线，并开发了一种挥发性溶液浸涂的工艺，快速制备彩色轻质的导电纺织线，且该方法适用于制备各种材质的导电纺织线。导电纺织线不仅在保留织物原有特性的情况下具有优异的导电线，还具有高的机械稳定性、耐水洗和可缝纫的特性，在各种可穿戴电子纺织品，如织物加热器、触摸屏手套、温度传感器和新型保暖织物中均表现出优异的性能，在新一代可穿戴电子器件中展现了巨大的应用潜力。

核心创新点：

该团队合成高质量的铜-银核壳结构纳米线作为导电材料，根据排水力和粘附力的平衡，开发了一种在挥发性溶液中浸涂的工艺，在室温下快速制备各种材质的彩色导电纺织线。具体地：（1）利用铜-银纳米线网络优异的导电性和透光性，使纺织线导电的同时，保留了其原本彩色、柔软的特性；（2）利用挥发性溶液的黏附性和毛细效应的协同作用，将铜-银纳米线网络紧紧包裹在纺织线的每一根纤维上，使导电纺织线具有优异的机械稳定性和耐水洗特性；（3）相同的浸涂工艺也适用于制备导电纺织布，且导电纺织布的电阻温度系数可达0.0589 ℃^-1，比块体铜或银高出约15倍，制得的温度传感系统响应时间仅需3 s，温度误差仅为 ±0.3 ℃，满足ASTM E1965中温度计的误差要求；（4）利用铜-银纳米线高的红外反射特性，制备了可减少14.8%功率损耗的新型保暖织物，也展现出了导电纺织布在红外隐身衣中的应用潜力。

数据概览：

图1 Cu NWs（a），Cu-Ag NWs（b）的SEM图，（b）中插图是Cu-Ag NWs的高倍SEM图；（c）Cu-Ag NWs的EDS元素能谱图；（d）通过浸涂Cu-Ag NWs油墨制备导电线的过程；（e）包覆不同层数Cu-Ag纳米线网络的导电丝线照片；（f）导电丝线的电阻与包覆Cu-Ag纳米线网络层数的关系；（g）彩色导电线作为导线点亮LED的照片；（h）不同种类的纺织线包覆Cu-Ag纳米线网络后的照片；（i）不同种类的导电纺织线的电阻与包覆Cu-Ag纳米线网络层数的关系。

图2 （a）包覆不同层数Cu-Ag纳米线网络的鱼线在280-800 nm波段的透过光谱；（b）导电丝线的颜色相似度与包覆不同层数Cu-Ag纳米线网络的关系；导电丝线的（c）弯曲，（d）扭曲，（e）水洗-干燥，（f）胶带测试，（f）中插图是PDMS/Cu-Ag NWs导电纺织线的OM图。

图3 导电纺织线在（a）衣物，（b）手套上点亮LED的照片；（c）导电纺织线在交流电路中点亮小灯泡的照片；（d）（从左到右）Cu-Ag纳米线网络制备的触摸屏手套实物图和用其操作手机的照片，例如：点触摸、写字、放大；（e）普通手套实物图（左）和用其操作手机的照片（右）；（f，g）普通手套和触摸屏手套的工作原理图。

图4 导电丝线制备的加热环实物图（a）和红外热像图（b）；（c）10 V电压下加热环的温度随时间的变化图；（d）不同长度的导电丝线的电流-电压图；（e）不同电压下导电丝线温度随时间的变化图；（f）导电纺织线的电阻变化率与温度的关系；（g）温度传感器的工作示意图；（h）温度传感器实物图；（i，j）用温度传感器实时监测人体体温的手机界面图。

图5 Cu-Ag纳米线网络的2-D电场分布仿真图（a）及局部放大图（b）； 1.2 μm后的Cu-Ag纳米线网络在中红外波段的透射率仿真曲线（c）和反射率仿真曲线（d）； （e）空手掌、棉布、导电棉布的实物图（上）和红外热像图（下）；（f）导电纺织布的示意图；（g）导电纺织布反射红外波的示意图；（h）导电布的能量密度与包覆Cu-Ag纳米线网络层数的关系；（i）交错的Cu-Ag纳米线网络仿真结构；（j）Cu-Ag纳米线网络的横截面电场分布图；（k）不同间距的Cu-Ag纳米线网络在中红外波段透过率的变化。

成果启示：

本工作开发了一种在挥发性溶液中浸涂的工艺，可在室温下快速制备各种材质的彩色轻质的导电纺织线，在织物加热器、触摸屏手套、温度传感器和新型保暖衣等可穿戴电子器件中均表现出出色的性能，对加快实现新一代可穿戴织物类电子器件的应用具有重要意义。

论文信息：

Yan Tang, Bin Guo, Mutya A. Cruz, Han Chen, Qicheng Zhou, Zefeng Lin, Fuchun Xu, Feiya Xu, Xiaohong Chen*, Duanjun Cai*, Benjamin J. Wiley*, Junyong Kang. “Colorful Conductive Threads for Wearable Electronics: Transparent Cu-Ag Nanonets”, Advanced Science, 2022, 2201111. DOI: 10.1002/advs.202201111.

该论文工作以厦门大学作为第一单位完成，博士生唐燕为第一作者，蔡端俊教授，陈小红教授和美国杜克大学Benjamin J. Wiley教授为论文通讯作者。该项目获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省科技计划等项目得资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201111