近期，浙江理工大学李加林教授与洪兴华副教授团队通过提花工艺形成宏观三维蚕丝织物结构，结合微观等离子活化羟基氧化铁支架和原位聚合聚吡咯，开发了一种通用策略，设计出具备高导电和高传感灵敏度的织物可穿戴器件，用于动作识别和健康监测。该织物表现出高导电性（电阻率为0.3 Ω·cm），传感快速响应（50 ms），优异的耐久性（＞1500次循环），其最大拉伸应变可达30%。此外，分析了等离子体活化羟基氧化铁支架产生零价铁，并诱导吡咯聚合的可能机制。这项工作为构建先进的织物基导电传感器件提供了新途径，有望应用于健康监测、智能家居、虚拟现实互动等领域。

3D高导电蚕丝可穿戴设备（3D-CSWD）的设计与制备遵循2个关键过程：（1）通过先进的提花织造技术实现了二维平面连续、三维空间交错的高精密蚕丝柔性基质，增强弹性形变能力，进而提高传感灵敏度。（2）利用2次低温等离子体处理：（a）在蚕丝表面原位引入含氧官能团，在氢键作用下稳定构筑FeOOH支架；（b）再次处理使支架活化，聚合时PPy优先生长在织物/FeOOH表面，不脱落在反应溶液中，在提高聚合效率的同时增强导电性和耐水洗性。

3D-CSWD的制备和应用示意图

当第2次冷等离子体处理织物后，产生大量负电粒子和自由电子，这些负电荷还原Fe³⁺；同时织物在与Py单体氧化聚合成PPy的过程中，Fe³⁺充当了氧化剂，自身也被还原，产生Fe(0)。最终3D-CSWD的表面不仅有导电聚合物PPy，还有Fe(0)，使织物具有更好的导电性。

3D-CSWD的XPS表征结果

经过β-FeOOH处理后的织物表面呈米粒状，这是由于多晶胞β-FeOOH的堆叠形成了致密层包裹在纤维的表面。经过PPy原位集合反应后，β-FeOOH作为支架为PPy提供了生长空间。

PI(SF)Fe/PI和PI(SF)Fe/PI-PPy的SEM图像、FTIR光谱图和XRD图谱

普通机织物的经纬线相互垂直，弯曲程度小、回弹性弱，该研究设计的织造结构中引入了接结组织，起到了“类线圈弹簧”的作用。当拉伸双层结构时，接结组织连接上下两层纬线，相对滑移，逐渐从弯曲状态变成伸直状态，提供了更大的弹性和延展性。此外，3D-CSWD具有良好的耐洗涤性能（洗涤12次后仍具有0.6 Ω·cm的高导电性）。

3D-CSWD的拉伸传感性能

3D-CSWD可实时监测人体运动，其应用范围可从微弱的生理信号到大规模的运动信号。将织物贴附在手腕、喉咙和口罩内部，可以检测到脉搏、吞咽和呼吸等不同范围的动作信号。对于手指运动，织物的电阻变化率可达200%，关节的运动可达400%。此外，在进行吞咽动作时，织物传感器能产生尖锐的窄响应峰；而当手腕弯曲运动时，则产生稳定而强劲的宽响应峰。通过识别和分析不同响应峰，可以实时判断人体动作状态，在非侵入性生物医学监测和个人医疗诊断中具有广阔的应用前景。

3D-CSWD在实时监测中的应用

综上所述，结合宏观多维度织物组织结构设计、微观等离子活化和原位聚合聚吡咯策略，制备3D高导电蚕丝可穿戴设备，表现出优异的耐用性和可洗涤性。由于特定的织物结构具有一定的厚度和可拉伸性（是普通导电蚕丝机织物的3倍），可监测人体运动状态，如脉搏、呼吸、吞咽动作以及手腕手指弯曲；此外，该器件还能够传递摩斯密码信号用于信息交流。该研究为织物基柔性导电传感纺织品的制备提供了一种新的设计思路。

研究成果以“Highly Conductive and Elastic Electronic Silk Fabrics via 3D Textile Macro-design and Microscopic Plasma Activation for Personal Care and Information Interaction”为题发表在Advanced Fiber Materials上。

论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00471-z

延伸阅读：《可穿戴传感器技术及市场-2022版》《传感器技术及市场-2024版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》

近期，浙江理工大学李加林教授与洪兴华副教授团队通过提花工艺形成宏观三维蚕丝织物结构，结合微观等离子活化羟基氧化铁支架和原位聚合聚吡咯，开发了一种通用策略，设计出具备高导电和高传感灵敏度的织物可穿戴器件，用于动作识别和健康监测。该织物表现出高导电性（电阻率为0.3 Ω·cm），传感快速响应（50 ms），优异的耐久性（＞1500次循环），其最大拉伸应变可达30%。此外，分析了等离子体活化羟基氧化铁支架产生零价铁，并诱导吡咯聚合的可能机制。这项工作为构建先进的织物基导电传感器件提供了新途径，有望应用于健康监测、智能家居、虚拟现实互动等领域。

3D高导电蚕丝可穿戴设备（3D-CSWD）的设计与制备遵循2个关键过程：（1）通过先进的提花织造技术实现了二维平面连续、三维空间交错的高精密蚕丝柔性基质，增强弹性形变能力，进而提高传感灵敏度。（2）利用2次低温等离子体处理：（a）在蚕丝表面原位引入含氧官能团，在氢键作用下稳定构筑FeOOH支架；（b）再次处理使支架活化，聚合时PPy优先生长在织物/FeOOH表面，不脱落在反应溶液中，在提高聚合效率的同时增强导电性和耐水洗性。

3D-CSWD的制备和应用示意图

当第2次冷等离子体处理织物后，产生大量负电粒子和自由电子，这些负电荷还原Fe³⁺；同时织物在与Py单体氧化聚合成PPy的过程中，Fe³⁺充当了氧化剂，自身也被还原，产生Fe(0)。最终3D-CSWD的表面不仅有导电聚合物PPy，还有Fe(0)，使织物具有更好的导电性。

3D-CSWD的XPS表征结果

经过β-FeOOH处理后的织物表面呈米粒状，这是由于多晶胞β-FeOOH的堆叠形成了致密层包裹在纤维的表面。经过PPy原位集合反应后，β-FeOOH作为支架为PPy提供了生长空间。

PI(SF)Fe/PI和PI(SF)Fe/PI-PPy的SEM图像、FTIR光谱图和XRD图谱

普通机织物的经纬线相互垂直，弯曲程度小、回弹性弱，该研究设计的织造结构中引入了接结组织，起到了“类线圈弹簧”的作用。当拉伸双层结构时，接结组织连接上下两层纬线，相对滑移，逐渐从弯曲状态变成伸直状态，提供了更大的弹性和延展性。此外，3D-CSWD具有良好的耐洗涤性能（洗涤12次后仍具有0.6 Ω·cm的高导电性）。

3D-CSWD的拉伸传感性能

3D-CSWD可实时监测人体运动，其应用范围可从微弱的生理信号到大规模的运动信号。将织物贴附在手腕、喉咙和口罩内部，可以检测到脉搏、吞咽和呼吸等不同范围的动作信号。对于手指运动，织物的电阻变化率可达200%，关节的运动可达400%。此外，在进行吞咽动作时，织物传感器能产生尖锐的窄响应峰；而当手腕弯曲运动时，则产生稳定而强劲的宽响应峰。通过识别和分析不同响应峰，可以实时判断人体动作状态，在非侵入性生物医学监测和个人医疗诊断中具有广阔的应用前景。

3D-CSWD在实时监测中的应用

综上所述，结合宏观多维度织物组织结构设计、微观等离子活化和原位聚合聚吡咯策略，制备3D高导电蚕丝可穿戴设备，表现出优异的耐用性和可洗涤性。由于特定的织物结构具有一定的厚度和可拉伸性（是普通导电蚕丝机织物的3倍），可监测人体运动状态，如脉搏、呼吸、吞咽动作以及手腕手指弯曲；此外，该器件还能够传递摩斯密码信号用于信息交流。该研究为织物基柔性导电传感纺织品的制备提供了一种新的设计思路。

研究成果以“Highly Conductive and Elastic Electronic Silk Fabrics via 3D Textile Macro-design and Microscopic Plasma Activation for Personal Care and Information Interaction”为题发表在Advanced Fiber Materials上。

论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00471-z

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《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》