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平行に座屈したポリピロール構造により超伸縮性とウェアラブルな導電性マルチフィラメントを実現
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平行に座屈したポリピロール構造により超伸縮性とウェアラブルな導電性マルチフィラメントを実現

Jun 23, 2023

npj フレキシブル エレクトロニクス 第 6 巻、記事番号: 42 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

伸縮性のある導電性繊維は、ウェアラブルエレクトロニクスでの使用の可能性があるため、多くの注目を集めています。 しかし、超高歪み非感受性導電性は、ヤング率の機械的不一致と、大きな変形下での伸縮性構造の破損によって妨げられます。 この課題は、スルホサリチル酸ナトリウムによって柔軟性が向上した座屈ポリピロール（PPy）で表面コーティングされたポリウレタンモノフィラメントからなる導電性と弾性を備えたマルチフィラメントによって解決されます。 表面に PPy 座屈を備えたこのような平行導電性モノフィラメントは、全体の導電性に対する導電性コーティングの亀裂の影響を軽減し、超高歪み非感受性挙動 (品質係数 Q = 10.9) を示します。 注目すべきことに、この導電性マルチフィラメントで作られたウェアラブル電子テキスタイルのさまざまな複雑な形状は、人間の関節が大きく変形した場合でも、元のマルチフィラメントの歪みの影響を受けない動作を維持します。 しわのあるPPyを備えたこのマルチフィラメントは、超伸縮性のウェアラブル電子デバイスの用途において魅力的な利点を持っています。

近年、センサー1、2、エネルギーハーベスティングおよびストレージデバイス3、4、メモリデバイス5、ディスプレイ6、ヒーター7などのウェアラブル電子テキスタイルは、研究界と産業界の両方からますます関心を集めています。 ウェアラブル電子テキスタイルの急速な成長により、大きな機械的伸縮下でも電気信号を安定してロスなく伝送できるように、柔軟で伸縮性のある電子回路に対する高い需要が生じています8、9。 らせんコイル構造 10、11、「巻きバネ」構造 12、層状構造 13、座屈構造 8、14 を含むさまざまな技術的方法が、多機能繊維や糸の設計に向けて伸縮性電子回路を製造するために開発されています。 最も一般的に使用される戦略は、コイルばねの原理に基づく幾何学的構造に依存しており、高性能の伸縮性エレクトロニクスを可能にします10,11。 この方法の有効性にもかかわらず、多くの場合複雑な接合材料と接合技術を必要とする多次元構造や、伸張中のコイルの非平面運動などの欠点が、他の代替戦略の模索を促しました15。 フィルムを巻くことによって形成された螺旋状の層状構造を有する導電性繊維複合材料は、その低い歪み非感受性挙動（356% で品質係数 Q = 0.57）に対して不十分な解決策しか提供しません 13。 したがって、容易な統合と高い歪み非感受性動作を備えた繊維ベースの伸縮可能な電子回路は、ウェアラブル電子繊維にとって依然として非常に望ましい。

座屈構造は、さまざまなフレキシブルデバイスで一定の導電率を維持しながら空間的制約を克服するために使用されてきました16。 導電性要素の見かけの弾性率は、弾性基板の表面に座屈構造、例えば、カール、波形、しわを形成することによって大幅に低下し、導電性繊維ベースの回路の伸縮性を保証することができる17。 たとえば、ワーム型の導電性マルチフィラメントは、最初にポリウレタン (PU) マルチフィラメント コアを事前に延伸し、次にそれをグラフェン 8 の層でコーティングすることによって調製されました。 このような構造により、300% の変形までは無視できるほどの抵抗変化 (約 0.26) が可能になりました。 しかし、グラフェンのしわの分離による伸長の初期段階で電気抵抗の増加が観察され、これはセンサーにとって有用な特性である 18,19 が、伸縮可能な電子回路にとっては望ましくない。 さらに、座屈構造は導電要素と基板の間の機械的不整合を効果的に軽減できることが証明されていますが、サイクル性能を高めるには常に高い界面相互作用が必要です17。 したがって、優れた界面相互作用を得るには、さまざまな基板に合わせて導電要素を選択することが重要です。

伸縮性エレクトロニクスに使用される導電性要素には、主に金属ナノワイヤ 20、カーボン ナノ材料 8、および導電性ポリマー 21、22 が含まれます。 最初の 2 つのコーティング方法として最も一般的に使用されるものには、スプレーコーティングと浸漬コーティングが含まれます。 延伸中の界面での損傷と剥離が報告されており、導電性要素と基板の間の界面相互作用をさらに高める必要があることが示されています 17,23。 対照的に、導電性ポリマーと基板との間の強力な界面相互作用は、単純なその場重合法によって達成できます。 一方、導電性ポリマーは、機械的特性において金属ナノワイヤやカーボンナノマテリアルよりもエラストマー基板との適合性が優れています17。 導電性ポリマーの中でも、ポリピロール（PPy）は、軽量、低コスト、良好な導電性、良好な生体適合性により大きな注目を集めています24。 しかし、たとえそれらがすべてポリマーであるとしても、PPyとエラストマー基材との間のヤング率、破壊引張ひずみおよび引張強さにおける機械的不一致は依然として存在する。 したがって、優れた伸縮性を実現するには、柔軟な (つまり、ヤング率が低い) PPy コーティングが不可欠です。

ここでは、電気的に敏感な筋線維束の構造にヒントを得て、単純な現場重合法によって座屈PPyで表面コーティングされたPUモノフィラメントで作られた導電性と弾性のある線維束を設計しました。 表面にPPy座屈を有するこのような平行な導電性モノフィラメントは、全体的な導電性に対する導電性コーティングの亀裂の影響を軽減し、優れた超高歪み非感受性挙動を示しました。 PPy の柔軟性は、可塑剤としてスルホサリチル酸ナトリウム (NaSSA) を添加することによって改善されたことに注意してください。 この特定の導電性マルチフィラメントは、小さな直径 (0.21 mm)、良好な初期導電率 (238.0 S m−1)、および顕著な歪み非感受性性能 (Q = 10.9) を示しました。 900%の引張歪みでも、安定した導電性(比抵抗変化はわずか3.5)と回復能力を維持しました。 さらに重要なことは、この導電性繊維は織り、編み、刺繍によって生地に簡単に組み込むことができるということです。 この統合可能で伸縮性が高く、極細で導電性の高い PU マルチフィラメントは、スマート ウェアラブル テキスタイルとして非常に競争力があります。

生理学的運動に主に寄与する筋肉組織は、複数の繊維から構成される整列した構造を持ち、電気信号に敏感です (図 1a)。 この構造にヒントを得て、当社は超高ひずみ下でのひずみの影響を受けない導電性とウェアラブルデバイスへの容易な統合という 2 つの原理に基づいて導電性マルチフィラメントを開発しました。 後者の要件については、間違いなく、より細い繊維が、コンパクトで洗練された電子テキスタイルに統合される疑いのない可能性を提供するでしょう。 筋線維束と同様に、導電性 PU マルチフィラメントは、表面に PPy が座屈した複数の平行なモノフィラメントで作られ、詳細な製造プロセスは図 1b に示されています。 \({{{\mathrm{PU}}}}_y^x\) @PPy は、PU マルチフィラメントが x デニール (D、1 デニールは繊維 9000 m あたり 1 グラム質量の線密度を持ちます) であったことを示し、PPyコーティングは、事前延伸ひずみ y の下で調製されました。 PPy の in situ 堆積の前に、ポリドーパミン (PDA) が事前延伸 PU マルチフィラメントの表面に導入され、DA コーティング強化溶液重合によって濡れ性が向上しました。 改良された現場重合法を採用して、事前延伸 PU マルチフィラメントの各モノフィラメント上に均質な PPy コーティング層を形成しました 25。 伸張を解除すると、各モノフィラメントの表面にＰＰｙシワが形成された。 このような構造により、マルチフィラメントは高歪み下でも安定した導電性を得ることができます。 したがって、LEDの輝度は0％から900％のひずみの間でほとんど変化しませんでした（図1c）。 さらに、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントは、高い導電率を維持できます。小さいサイズ。 導電性マルチフィラメントはその細い直径のおかげで、#1 の縫い針を通過することができ、既存の繊維技術を使用してウェアラブル電子デバイスに製造できることが示唆されています (図 1d)。

PU@PPyマルチフィラメントの試作モデル。 b 導電性 PU@PPy マルチフィラメントの作製の概略図。 c \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントのさまざまな伸びに対する LED の応答を示す光学画像。 スケールバーは20mmです。 d #1 ニードルを通過する \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントを示す SEM 画像。 スケールバーは300μmです。

PPy はその硬い共役骨格により柔軟性が制限されていることが、伸縮性導体への応用に対する最大の障害となっています 26。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの表面に小さなひずみによる亀裂がありましたFeCl3のみをドーパントとして使用した場合（補足図1）。 この研究では、構造設計によって PPy 層の見かけの弾性率を下げることに加えて、NaSSA を可塑剤として使用して、本質的な柔軟性も向上させました。 NaSSA の導入により実際に機械的特性が改善されるかどうかを確認するために、NaSSA の有無にかかわらず、界面重合によって PPy フィルムを合成しました (詳細についてはサポート情報を参照)。 補足図2a〜cに示すように、Cl−/SSA−をドーパントとして含むPPyフィルムの破断伸び（\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}} /{\mathrm{NaSSA}}}\)) は 8.58% で、ドーパントとして Cl− を使用した PPy フィルム (\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm) の値 (3.81%) よりもはるかに高かった{FeCl}}_{{3}}}\))。 \({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\) フィルムのより大きな曲げ角度 (51.20°) がカンチレバー法によってさらに実証され、柔軟性が高いことが確認されました。 PPy フィルムの強度は NaSSA によって強化されました (補足図 2d)。 \({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\) フィルムは、室温で繰り返し曲げても驚異的な容量を示しました (図 2a)。 さらに興味深いことに、この柔軟性は液体窒素中でも保持されました（図2bおよび補足ビデオ1）。 我々は以前、液体窒素中でも室温と同じくらい柔らかい未加工のPPy膜を報告し、この興味深い現象についても議論しました26、27。 この研究では、固有の特性が PPy フィルムと PPy コーティングの両方の柔軟性の原因であるとも考えられました。 さらに、導電性高分子が高い導電性と高い柔軟性を併せ持つことは矛盾している28。 興味深いことに、NaSSA は PPy の柔軟性だけでなく導電性も向上させる可能性があります。 NaSSA をドーパントとして使用した後、PU@PPy の導電率は 70.8 ± 4.6 S m-1 から 358.2 ± 27.9 S m-1 に増加しました。

a PPy フィルムは室温で曲がります。 b 液体窒素中で波打つ PPy フィルム。 c フルスキャン XPS スペクトル。 PPy フィルムの d N1 の高分解能スペクトル。 e 可塑剤として NaSSA を使用した伸縮性 PPy の概略図。 PDA 処理なしの \({{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の縦方向と縦方向の SEM 画像断面図。 スケール バーは 50 μm、挿入図 5 μm です。 h PDA 処理による \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の AFM 画像。

PPy の導電性と柔軟性の向上における NaSSA の役割をさらに説明するために、XPS とラマン スペクトルを使用して化学分析を調査しました。 FeCl3 / NaSSAをドーパントとして使用したPPyのXPSスペクトルで硫黄（S）元素が観察され、NaSSAが対イオンとして機能することが確認されました（図2c）。 また、ドーパントとして FeCl3/NaSSA を使用した PPy の -NH+- の相対含有量 (26.59%) は、NaSSA をドーピングしない試料の相対含有量 (21.55%) よりも高く、NaSSA がドーピングを増やすことで PPy の導電率を向上できることを示しました。レベル（図2d）。 ドーパントとしてＮａＳＳＡを使用して、または使用せずに調製したＰＵ＠ＰＰｙのラマンスペクトルも測定した。 スペクトル（補足図3）は、1576 cm-1（C = C伸縮）、1374および1327 cm-1（リング伸縮の2つのバンド）、1238 cm-1（非対称C – H）でのPPyのメインバンドを示しています。平面曲げで）、1084 と 930 cm-1（バイポーラロン構造）、および 1046 と 963 cm-1（ポーラロン構造）25。 バイポーラロン（1084 および 930 cm-1）とポーラロン（1046 および 963 cm-1）の吸収間の比を使用してドーピングの程度を推定し、これらの比を補足表 129 に報告します。 PU のより高いバイポーラロン/ポーラロン比ドーパントとしてＮａＳＳＡを用いて調製された＠ＰＰｙは、ＮａＳＳＡドーパントがＰＰｙの導電性も強化したことを説明する証拠とみなされた。 スルホン酸アニオンおよびスルホンイミドアニオンには、ポリマー間の相互作用を弱める電荷遮蔽効果があることが報告されています28。 特に重要なことは、d-ソルビトールのドーピングによりポリマー鎖間の相互作用が弱まり、機械的柔軟性が向上する可能性があるということです30。 したがって、NaSSAには2つの効果があると考えられます。1. NaSSA分子はPPy鎖間の相互作用を弱め（図2e）、分子鎖の移動を促進し、PPyの固有弾性率の低下につながります。 2. NaSSA ドーパントにより PPy のドーピング レベルが増加し、導電率が向上しました。

座屈構造に対する PDA の効果を評価するには、\({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\ の形態）PDA処理の有無にかかわらず@PPyマルチフィラメントが観察されました（図2f〜hおよび補足図4a〜c）。 繊維軸に沿った PPy 亀裂は \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントでのみ観察されましたPDA処理なし（図2fおよび補足図4a）、PDAの使用がPPyの亀裂を防止したことを示しています。 これは、PDA コーティングにより PPy の堆積が増加し 31、その結果、フィラメントが解放されたときの円周方向の膨張に対してより耐性のある厚い PPy コーティングが得られたためです。 実際、\({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の PPy の厚さは 0.80 ± 0.17 でした。 μmですが、PDAなしの場合はわずか0.54±0.10μmでした（補足図4bおよび図2g）。 さらに、図2h、補足図5、および補足図4cに示すように、PDA修飾を施したPU@PPyの座屈の高さ（〜1.56μm）は、PDAなしの座屈（〜0.25μm）よりもはるかに高かった。 。 座屈構造の形状とサイズのこのような違いは、PPy コーティングの厚さによっても引き起こされました (より詳細な分析は補足方法 1 にあります)。 注目すべきことに、断面のSEM画像は、未修飾モノフィラメントの不完全なPPyコーティングとは対照的に、PDA修飾マルチフィラメントの各モノフィラメントが座屈PPyでコーティングされていることを明らかにしました（図2gおよび補足図4b）。 これは、これまで文献でほとんど観察および報告されたことがなかった興味深い構造です。

座屈の形状に対する重合時間の影響を調査するために、\({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}] で PPy を重合させました。 }}}\) @PPy をさまざまな時間に使用します。 PU マルチフィラメントの滑らかな表面（補足図 6a）と比較して、PU@PPy マルチフィラメント内の各平行モノフィラメントの表面は、PPy の密で規則的なシワで完全に覆われていました（補足図 6b-f）。 PPyの存在は、=CHの面内伸縮に割り当てられた993cm-1の特徴的なピークによるFTIR分析によって確認されました（補足図7）32。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントは、最適な反応時間と考えられる重合時間が 24 時間の場合に得られました。

機械的特性に対する座屈構造の影響を解明するために、異なる数のモノフィラメントで作られた PU@PPy マルチフィラメント、PU マルチフィラメント、および \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420 {{{\mathrm{D}}}}\) 異なる事前延伸ひずみの下で調製された@PPyマルチフィラメント（補足図9）。 モノフィラメントの数が増加するにつれて、\({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy マルチフィラメントの破断強度は徐々に低下し、破断伸びは逆の傾向を示しました (補足図9a–c)。 前者はモノフィラメントの数が増加するにつれて弱いノードの確率が増加することに起因し、後者はマルチフィラメントの直径の増加に関連していました33。 PPyコーティングのないPUの機械的特性も同様の傾向を示し、この現象はPPyコーティングではなくPUマルチフィラメントの構造によって引き起こされたと考えられます（補足図9d-f）。 さまざまな事前伸張ひずみの下で調製された \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の引張特性も評価されました (補足)図9g-i)。 マルチフィラメントの伸びは、伸長前のひずみの増加に伴って徐々に減少しましたが、以前の研究と一致して、すべてのマルチフィラメントは優れた高い伸長性 (>1000%) と同様の破断強度 (~100 MPa) を示しました8。 さらに、\({{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントは 100% 以内の良好な回復性を示しました。ひずみ、および 200% ひずみ内の小さなヒステリシスは、参考文献 (補足図 10a)8,34 のものと同等です。 100%のひずみ下で100回の荷重-除荷サイクル後、マルチフィラメントの回復性能はほとんど劣化しませんでした（補足図10b）。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの強力な強度と高い伸縮性により、大きなひずみのウェアラブル電子テキスタイルの製造が可能になります。

異なる数の平行モノフィラメントを使用した \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy の相対抵抗変化 (ΔR/R0) のひずみ依存性をさらに評価して証明しました。並列構造の機能 (図 3a–c)。 図3cに示すように、すべての\({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPyは、低ひずみ（< 50%）で同様のひずみ非感受性抵抗変化を示しました。これは、類似の座屈形状のPPyコーティングによるもので、隣接する座屈間の距離は約5μmでした（補足図11a〜e）。 以前の研究で報告されているように、座屈形態は、低ひずみでのひずみ非感受性挙動に影響を与える重要な要素です。 ひずみがさらに増加すると、モノフィラメントの数が増加するにつれて \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy の ΔR/R0 のひずみ依存性が減少しました。 これは、たとえ 1 つのモノフィラメントの PPy コーティングが壊れたとしても、同じ断面にある他のモノフィラメントの PPy コーティングはまだ無傷であり、超延伸中にモノフィラメント間の自由空間が消失するため、電気が自由に流れることができるためです。 -高い株。 明らかに、モノフィラメントの数が増加するにつれて、この確率は増加しました。 ただし、\({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy のひずみに対する電気応答は導電性コーティングが厚い PU マルチフィラメント (つまり 840D) の奥深くまで完全に浸透できなかったため、さらに減少しませんでした。これは、内部の黒い PPy コーティングではなく白いフィラメントによって確認されます。\({{{\mathrm{PU}}}}_{ 50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}\) @PPy が壊れた後に露出します (図 3b)。

a 座屈 PPy コーティングを施した平行導電性モノフィラメントの概略図。 b \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy と \({{{\mathrm {PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}\) ブレイク後の @PPy。 スケールバーは2mmです。 c ひずみが増加したときの、直径の異なる \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy の相対抵抗変化。 d \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy および e \ の断面の SEM 画像({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy。 スケール バーは 100 μm、挿入図 15 μm です。 f 延伸時の導電性マルチフィラメントと芯鞘フィラメントの相対抵抗の変化。 g 歪みが増加した場合の平行導電性マルチフィラメントの動作メカニズム。 h 延伸中のマルチフィラメントに沿った電流経路 (黄色の矢印)。

並列導電性モノフィラメントのひずみの影響を受けない性能をより直観的に実証するには (\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}} \）@PPy、その断面のSEM画像を図3dに示します）、および座屈形状のPPyコーティングを備えたシースコアフィラメント（図3e）、\({{{\mathrm{PU} }}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}\) @WPU@PPy がコントロールとして用意されました (詳細についてはサポート情報を参照してください)。 図 3f は明らかに、 \({{{\mathrm{PU}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@ の ΔR/R0 がPPy マルチフィラメントは \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy のマルチフィラメントよりもはるかに高く、200% 未満でしたひずみ (1.67 vs 0.18)。 さらに重要なことは、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy がより優れた歪み非感受性動作を示し、ひずみが 900% に達するまでの ΔR/R0 は低レベル (3.50) ですが、その値 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @WPU@PPy は 74.00 まで急上昇しました。

PU@PPy導体の高いひずみ不感性をさらに説明するために、図3gとhに示すように、伸長中にPPyがどのように変化するかを示すモデルが確立されました。 延伸工程は一般的に３段階に分けられます。 ひずみ ε < 伸張前のひずみ εp である最初の段階では、PPy の座屈は徐々に拡大し、抵抗は一定の抵抗 R = R0 のままになります (R0 は初期抵抗です)。 以前の研究8,35とは異なり、私たちの研究では、伸長中の隣接するバックル間の接触面積の減少によって引き起こされる抵抗の急激な増加は示されませんでした。 秩序立った座屈構造は、PU@PPy マルチフィラメントの AFM 画像（図 2h）および SEM 画像（補足図 11 および 12）によって示されています。 ε > εp である第 2 段階では、PPy コーティングは引張変形を示し始めます。これは、PPy コーティングの厚さの減少と長さの増加によって現れます。 ポアソン効果を考慮すると、この段階での抵抗は式(1)で与えられます。 (1)。

ここで、γ は PPy コーティングのポアソン比、\(R_{\varepsilon _{{{\mathrm{p}}}}\) はひずみ εp における PU@PPy の抵抗です。 詳細については、補足方法 2 を参照してください。過度のひずみがかかると、PPy コーティングに亀裂が生じ、電流の流れが妨げられます。 しかし、導電性モノフィラメントは互いに独立しているため、1つのフィラメントの亀裂が周囲のモノフィラメントに伝播することはなく、高歪み下でのモノフィラメント間の密着接合により、電流の完全な導電経路が保証されます。 補足図13に示すように、電気的安定性を説明するために等価抵抗モデルが使用されます。 導電性マルチフィラメントは、長手方向に沿って直列に並んだ多数の抵抗器とみなすことができ、各抵抗器は、垂直方向または断面方向に沿った複数の並列抵抗器によって構成されていると考えることができます（並列抵抗器の数は導電性モノフィラメントの数です） ）。 一部の抵抗器に亀裂が発生すると、その導電率が大幅に低下します。 ただし、それらと並列の他の抵抗は依然として導電性を維持します。 この段階では、抵抗は式(1)で計算できます。 (2)。

ここで、erf(x) は誤差関数、q、p、ε0、μ はフィッティング パラメーターです。 詳細については、補足方法 3 を参照してください。

さらに、さまざまな伸長前のひずみを用いた導電性マルチフィラメントのひずみ非感受性特性を研究しました（図4）。 図4aに示すように、すべての \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの ΔR/R0 は、引張ひずみの増加。 また、ΔR / R0の増加率は、伸長前のひずみが増加するにつれて減少しましたが、これは座屈形状に関連していました（補足図12）。 伸縮性 \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の電気伝導率は、マルチフィラメントの体積を一定と仮定してさらに計算されました。図4bに示すように、伸長中。 軸方向のひずみの増加に伴い、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの導電率が増加しました238.0 S m-1 から 5304.0 S m-1 であり、これは文献で報告されている値と一致しました8,30。 これは、PPy バックルの拡張と導電性 PPy チェーンの応力誘発整列の間の相乗効果によって引き起こされる可能性があります 30。 注目すべきことに、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy は広範囲の電気応答可逆性を示しました。 、900%の超高ひずみまで下降傾向はありません。 このような挙動は、モノフィラメント間の緊密な接触により、超高歪み下で追加の導電経路を提供する能力を持つ平行構造によるものと考えられます。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy と \({ {{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}\) @PPy も同様でした (図 4a)。高い引張ひずみの下では、PPyがPUマルチフィラメントに浸透することが困難になりました（図4c）。これは、\({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{ {\mathrm{D}}}}}\) @PPy (補足図14)およびPPyの重量パーセントによる(補足図15および補足表2)。 この傾向は、異なる数の平行な導電性モノフィラメントの他の PU@PPy に共通でした (補足図 16)。 さらに、\({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの初期導電率は 344.1 S m−1 から 125.4 S m−1 に減少しました。伸長前のひずみが0％から300％に増加したときのS m−1 （図4b）。これは、隣接するバックルが独立している、つまり接触していないことも示しており（補足図12）、重量パーセントが減少していることも示しています。高い事前延伸ひずみ下でPPyが緊密なPUマルチフィラメントに浸透することが困難であることに起因する、マルチフィラメント内のPPyの増加（補足図15および補足表2）。

a ひずみ増加時の \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の相対抵抗変化。 b \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の導電率-ひずみ曲線。 c 小分子（緑色の球で表される DA、FeCl3、NaSSA、Py など）に対するさまざまな事前延伸ひずみによるマルチフィラメントの浸透効果の図。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy と文献で報告されている 1D 導体との比較 (参照) .8,12,35,36,37,38,39,40,41）。 f SEM 画像と g ひずみが増加したときの \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の抵抗。 スケールバーは100μmです。

さらに、さまざまな事前伸長ひずみを使用した \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の導電率を次のように評価しました。 5 V 負荷電圧下の IV 曲線 (補足図 17)。 すべてのマルチフィラメントは直線形状を示し、マルチフィラメントがオームの法則に従うことを示しています。 また、曲線の傾きの減少により、\({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの抵抗が低下していることも確認されました。ストレッチ前のひずみ処理後に増加しました。

品質係数 Q = (Δl/l0)/(ΔR/R0) を採用して、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420 {{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy14。 文献8、12、35、36、37、38、39、40、41で報告されている1D線形伸縮性導体と比較すると、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420 {{{\mathrm{D}}}}\) @PPy は、超ひずみと微細さの下ではるかに大きな Q ファクターを示しました (図 4d と e、詳細なデータは補足表 3 にあります)。 図 4d に示すように、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の Q 係数は２００％伸長時での伸び率は１０．９であり、文献と比較して最高のものの一つである。 その後、Q は 900% まで 2.6 に維持され、超高歪み下でもこの導電性マルチフィラメントの良好な歪み非感受性挙動が実証されました。 注目すべきことに、マルチフィラメントの直径はわずか約0.21 mmであり、報告されている他の導体よりもはるかに小さく（図4e）、スマートウェアラブルデバイスへの統合に大きな可能性をもたらします。

歪みの増加下で平行導電性モノフィラメントの上記の仮説モデルをテストするために、引張ホルダーを備えたSEMを使用してその場引張試験を実行しました（図4fおよび補足ビデオ2〜4）。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy 表面の PPy バックルは、伸びるにつれて徐々に拡大しました (補足)ビデオ 3)、\({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy 表面の PPy コーティングが開始されるまで約 45% のひずみで亀裂が入ります (補足ビデオ 2)。 PPy コーティングの 3 段階の変化を観察するには、引き伸ばした \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @ PPy (ひずみ 150% ～ 200%) をその場 SEM 引張の延伸テーブル上に保持しました。 補足ビデオ 4 では、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\ のストレッチ プロセスにおける上記の 3 つの段階を記録しました。 ) @PPy、私たちのモデルと仮定を承認しました。 式の γ は (2) \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy は補足ビデオ 2 から取得しました。式 (3) は、伸長中の \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の抵抗を示します。プロセス。

伸張中の \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の理論的な抵抗を図に示します。 4g は実験データとよく一致しました。 第 1 段階における理論結果と実験結果の違いは、座屈拡張プロセス中の断面方向に沿ったモノフィラメント間の圧力による PPy コーティングの体積変化によるものと考えられます。

可逆性は、ウェアラブル電子テキスタイルにとって非常に重要なパラメーターです。 図 5a ～ d は、さまざまな条件における \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の IV 曲線を示しています。伸び。 200% 伸長では、IV 曲線の傾きは 0% 伸長の場合と比較してわずかに緩やかになり (図 5a)、フィラメントに接続された LED ランプは非常に明るいままでした (図 5a 挿入図)。 伸びが 500% に達すると、フィラメントの抵抗が約 2 倍に増加し、LED が暗くなり始めました (図 5b)。 図 5c は、900% の伸びでもフィラメント抵抗が LED ランプを点灯するための導体として使用できることを示しています。 これにより、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy が伸縮性導体として確実に使用できることが確認されました。非常に大きな負担の下で。 回復後、フィラメントの抵抗は PPy の破損により 15% しか増加しませんでした (図 5d)。 図 5e は、ひずみを 0% から 20% に変化させた場合の 1500 回の伸張回復サイクルにおける抵抗の周期的変化を示しています。 ひずみ 0% での抵抗は 1500 サイクル後も 3% しか増加せず、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy。 マルチフィラメントの再利用性をさらに検証するために、水で洗浄した後のマルチフィラメントの導電率を特性評価しました。 34 分間続く洗濯機の洗濯サイクル全体には、温洗い、すすぎ、水切り、乾燥の 4 つのステップが含まれます42。 私たちは、色堅牢度洗濯試験 (GB/T 3921-2008) と同様の方法を使用して、このプロセスをシミュレートしました。 簡単にするために、すすぎステップはより厳しい温洗浄ステップに置き換えられ、繊維にほとんどダメージを与えない水切りステップは省略されました。 したがって、模擬洗浄テスト中に、マルチフィラメントは温洗浄 (800 rpm、40 °C、20 分) および乾燥 (60 °C、15 分) を受けました。 洗浄回数が増加するにつれて、PPy の脱ドーピングプロセスにより導電率は徐々に低下しました 43。ただし、16 回の洗浄後も導電率は依然として 94.6 S m-1 でした（補足図 18）。 人体の動きでは、伸び変形に曲げ変形が伴うことがよくあります（図5f）。 したがって、人体の動きをより適切にシミュレートするために、伸長と曲げの両方におけるフィラメントの抵抗も研究されました。 フィラメントの抵抗のリアルタイム変化を監視するために、LEDシステムを備えた伸縮曲げ装置（図5g）を設計しました。結果を図5hに示します。 70° という高い曲げ角度では、\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @ の抵抗はPPy は 3.5% しか変化しませんでしたが、\({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の抵抗は増加しました6441.6%増加しました。 \({{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy は、比類のない鈍感な導電率を示しました。顕著な LED 輝度の変化 (図 5f および補足ビデオ 5)。

a–d さまざまな株（200 %、500%、900%、および回復)。 e \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy の 1500 回の繰入・除荷テストが 20% 未満歪み。 挿入図は、1500 サイクルの最初と最後の 5 サイクルをそれぞれ示しています。 f 人体の動きに対する二重の曲げ (ピンク) とストレッチ (紫) の変形の概略図。 g フィラメントの伸縮・曲げ器具。 h 伸張-曲げプロセス中のフィラメントのリアルタイムの抵抗変化。

実際の導電率は、ウェアラブル回路システムへのファイバー導体の適用に影響を与える品質係数以外のもう 1 つの重要な要素です。 3D および 2D 伸縮性導電材料への応用に関しては、当社の小径導電性マルチフィラメントを使用して、テキスタイル技術により、よりコンパクトで洗練された電子テキスタイルを製造できます。 複数の繊維を二重にして撚ってストランドに統合したり、織ったり、編んだり、刺繍したりして多くの繊維を生地に統合したりすることは、織物形成プロセスにおいてほぼ不可欠なステップです。 これは複数の導体を並列に接続することに相当し、全体の抵抗が低くなります。 抵抗を並列に接続することは回路の導電性を向上させる効果的な方法ですが、必然的にサイズが大きくなります。 この研究では導電性マルチフィラメントの直径が小さいという利点を生かして、ストランドは並列化した後もコンパクトで洗練された電子機器の統合要件を満たすことができます。 複数の繊維を二重にして撚り合わせてストランドに一体化する場合を例に挙げると、繊維断面が円形であると仮定し、繊維間の押出変形を無視すると、最密充填理論に従って、撚り合わせることによって得られるストランドの抵抗は 7 になります。繊維は 7 分の 1 に減少しますが、直径は 3 分の 1 しか増加しません。 私たちの仮説を検証するために、7 本の導電性マルチフィラメントを撚って形成されたストランドを作製しました。 導電性繊維の直径は約0.65 mmであり（補足図19a）、初期抵抗は\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420 {{{\mathrm{D}}}}\) @PPy (補足図19b)。これは理論モデルと一致しています。 重要なのは、ストランドの細さは以前に報告された繊維導体よりも優れており、導電率も同等である8、12、41。 ウェアラブル回路への応用の可能性をさらに検証するために、16 本の導電性マルチフィラメントを撚って形成されたストランドを回路として備えた LED システムが設計されました。 LED が 3 V で点灯していることが視覚的に観察でき (補足図 19c)、回路内のエネルギー損失が無視できることを示しています。

同様に、織り、編み、刺繍によって多くの繊維を生地に統合することは、回路の導電率を向上させる効果的な方法です。 コンパクトで洗練された電子テキスタイル、つまり織り、編み、刺繍によって導電性マルチフィラメントを使用して製造されたテキスタイルファブリックを準備する実現可能性を実証するため（図6a〜dおよび補足図20）。 使用したレピア織機と丸編機を図 6a と図 6c に示します。 異なる繊維経路（ループまたは直線、図6bおよびd）および繊維配置（補足図20aおよび図6b）、異なる生地形状（シートまたはチューブ、図6bおよびd挿入図）および複雑なパターン（補足図20aおよび図6b） .20b）は繊維技術により容易に製造できます。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy または \({{{ \mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}\) @PPy を横糸として使用し、製織後の導電性マルチフィラメントの機能性を評価しました (図.6a および b) 織物成形技術を使用した製織は、PPy コーティングに最大の摩耗を引き起こすためです。 補足図 21 は、布地の初期抵抗を 4 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\ で積分したことを示しています) ) @PPy は、単一ファイバーの抵抗の約 4 分の 1 に減少します。 さらに、ウェアラブル電子テキスタイルで使用した場合の堅牢な変形をシミュレートするために、伸張、破裂、およびねじりの間の抵抗の変化 (R/R0) も評価されました。 図 6e は、ファブリックの R/R0 が \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) と統合されていることを示しています。 @PPy は 300% ひずみ下でわずか 1.46 であり、\({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy (170.78)、生地が元の導電性マルチフィラメントの歪みに影響されない挙動を継承していることを示しています。 破裂プロセス、つまり生地に垂直方向のひずみを加えるプロセスは、スマート テキスタイルにとって無視できません。 垂直ひずみを加える装置が設計され、破裂プロセス中の生地の抵抗の変化が図6fに示されています。 布地（20mm×20mm）に対して垂直な棒（直径5mm）が17mmまで降下したとき、変形布地の抵抗は\({{{\mathrm{PU}}}}_{200 \% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy は 30% しか増加しませんでしたが、\({{{\mathrm{PU}}}}_{ 0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy は 1225% 増加しました。 また、図6gに示すように、布地の電気抵抗は \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}} }}\) @PPy は、\({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}) で構成されるファブリックと比較して、ねじり変形への依存性がほとんどありませんでした。 }}}\) @PPy。 人体の動きは複雑であり、多くの場合、ウェアラブルに複数の変形が生じます。 したがって、実際の人体の動作中の複雑な変形をシミュレートするために、伸ばす、曲げ、ひねるなどの複数の変形を同時に生成できるデバイスを設計しました（補足ビデオ6）。 テスト対象の布地の抵抗は、複雑な変形の周期的な負荷と除荷の関数として周期的な変化を示しました（図6h）。 さまざまな周波数と変形の下で、生地の抵抗は \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) で構成されます。 @PPy は、 \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}\) @PPy で構成されるファブリックと比較して、ほとんど変化がありませんでした。 。 これらの結果は、 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy で構成されるファブリックが次の要件を満たすことができることを示しています。人体の複雑な動きに挑戦。

レピア織機、bは導電性マルチフィラメントを製織した生地、cは丸編機、dは導電性マルチフィラメントを編み込んだ生地の光学画像。 スケールバーは0.5mmです。 e 伸長、f 破裂、g ねじり時の生地の抵抗変化。 h 複数の変形下での布地の動的抵抗の変化。 i、j 腕の曲げおよび k、l 歩行時の伸縮性エレクトロニクスとしての生地の応用。

さらに、市販の肘パッドや膝パッドに導電性マルチフィラメント繊維を刺繍で組み込み、実際の人間の動作における大きな変形下でも電気的安定性が信頼できるかどうかを検証しました。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D) を装着した肘パッドの R/R0 のリアルタイム変化 (図 6i) }}}}}\) @PPy または \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy は図6jに示されています。 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy パッドの変化は無視できるものでしたが、\ ({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy パッドは、パッドの周期的な曲げの下で良好な直線性と再現性を示しました。肘。 図6j挿入図のLEDライトの明るさにはほとんど変化がなく、 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% } ^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy。 肘と比較して、膝は運動中に大きな負担を受け、その結果、抵抗に明らかな変化が生じました（図6k）。 それにもかかわらず、 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy を装備した膝パッドは依然として顕著な無神経な行動。 また、LED ライトは、運動中も常に目に見える明るさを示しました（図 6l および補足ビデオ 7）。 したがって、PPy 座屈構造を平行に備えた導電性 PU マルチフィラメントは、伸縮性がありウェアラブルな電子ファブリックに電子回路を構築するための有力な候補です。

要約すると、PPy 座屈構造を備えた導電性 PU マルチフィラメントを、事前延伸およびその場重合法によって並行して設計および製造しました。 PUマルチフィラメントをPDAで前処理することにより濡れ性が向上し、モノフィラメント表面にPPyを均一に重合させることができました。 重合後にプレストレッチを解除すると、平行座屈 PPy 構造が生成されました。 また、PPyにNaSSAを添加することで伸縮性を向上させることができます。 伸縮性の高い \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントは、高い初期導電率 (238.0 S) を示しました。 m−1)、小さい直径 (0.21 mm)、200% ひずみでの高い Q 値 (10.9)、および 900% ひずみ (Q = 2.6) までの広い範囲の変形における電気応答の高い可逆性。 さらに、マルチフィラメントは、既存のテキスタイル技術を通じてスマートテキスタイルに簡単に統合でき、人体の激しい動きの間でも、歪みに敏感な高い動作を維持できます。 したがって、この導電性マルチフィラメントは、ウェアラブル電気デバイスにおいて大きな可能性を示します。

この研究では、新たな独自の試薬は生成されませんでした。 PU マルチフィラメント (40D、140D、210D、420D、840D) は Jiaxing Xinhai Textile Co., Ltd. (中国浙江省) から購入しました。 ピロール (Py、98+%、Alfa Aesar) は、Shanghai Yishi Chemical Co., Ltd. (上海、中国) から購入しました。 Py は減圧下で 2 回蒸留され、使用前に暗所で 4 °C で保管されました。 三塩化鉄六水和物 (FeCl3・6H2O)、無水エタノール、トリス(ヒドロキシメチル)メチルアミノメタン (>99%)、シクロヘキサン、塩酸 (HCl、化学的に純粋) は、Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (上海、中国) から入手しました。 。 スルホサリチル酸ナトリウム (NaSSA、Rhawn) およびドーパミン (DA、Sigma) は、Wendong (Shanghai) Chemical Co., Ltd. (上海、中国) から提供されました。 すべての化学物質は分析試薬であり、特に明記しない限り、さらに精製することなく使用されました。

伸長状態（0%、50%、100%、200%、または 300%）の約 1 メートルの PU マルチフィラメントを DA 溶液（2 mg mL-1、50 mM Tris-HCl 緩衝液、pH 8.5）に浸漬しました。超音波で5分間反応させ、その後8時間反応させた。 洗浄後、FeCl3・6H2O（0.36M）とNaSSA（0.36M）水溶液（20mL）の入った皿（直径90mm）に入れ、−20℃で凍結した。 その後、Ｐｙ（０．５ｍＬ）を含有するシクロヘキサン（１９．５ｍＬ）を上記溶液の上部に移した。 その場での重合を、2 °C でさまざまな時間 (6 時間、12 時間、18 時間、24 時間、または 36 時間) 維持しました。 重合の終わりに、ＰＵ＠ＰＰｙマルチフィラメントを無水エタノールで数回洗浄し、次に脱イオン水で洗浄し、続いて水中で５分間超音波洗浄した。 最後に、PU マルチフィラメントの歪みを解放し、座屈構造を持つ PU@PPy を形成しました。 フィラメントを室温で乾燥させた。

縦糸に PET フィラメント、横糸に PU および \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy を使用した織物をレピアで製造しました織機（ASL2300、蘇州朔海電気機械技術有限公司、蘇州、中国）。 PU と \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy フィラメントで作られたニット生地は、丸編み機で製造されました (バイオメディカル テキスタイル)中国、上海の東華大学研究室）。 刺繍生地は、\({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy フィラメントをニット生地に手縫いすることによって実現されます。

サンプルの形態は、加速電圧 5 kV で走査型電子顕微鏡 (SEM、日立 SU8010、東京、日本) によって観察されました。 観察前に、試料は金でスパッタ コーティングされました (日立イオン スパッタ MC1000、東京、日本)。 マルチフィラメントの断面は、液体窒素中で破断することによって得られました。 さらに、原子間力顕微鏡 (AFM、5500AFM-SPM、Agilent、カリフォルニア、米国) を使用して、試料を両面テープでスライドガラス上に固定し、マルチフィラメントを分析しました。 現場引張試験は、引張ホルダーを備えた Phenom XL (Phenom XL、Phenom-Scientific、上海、中国) を使用して実行されました。

布地の巨視的外観は、実体顕微鏡 (Nikon SMZ745T、東京、日本) によって得られました。 減衰全反射（ATR）モードのフーリエ変換近赤外分光計（FT-NIR、Antaris II、Thermofisher、Waltham、USA）を使用して、サンプルの化学組成を特性評価しました。 サンプルの表面化学組成は、励起源として Al Kα 放射線 (λ = 8.34 Å) を使用する X 線光電子分光計 (XPS、Escalab250xi、Thermofisher、Waltham、USA) によって調査されました。 ラマンスペクトルは、633 nm で発光する He-Ne+ レーザーを備えたラマン顕微分光計 (inVia-Reflex、レニショー、グロスターシャー、英国) で収集しました。

幅 5 mm の PPy フィルムの機械的特性は、単繊維強度試験機 (YG-001、温州方源計器有限公司、温州、中国) を使用して、ゲージ長 10 mm、min-1 10 mm で試験されました。クロスヘッド速度。 片持ち梁の理論によれば、長さ 30 mm の PPy フィルムをテーブルの端から 20 mm 伸ばして片持ち梁を形成しました。 PPyフィルムの柔軟性を評価するために、吊り下げられたフィルムとテーブル表面との間に形成される角度を測定した。 マルチフィラメントの引張特性は、単繊維強度試験機（LLY-06E、莱州電子計器有限公司、莱州市、中国）を使用し、ゲージ長さ 5 mm、ひずみ速度 50 mm min-1 で調査しました。 試験中の滑りを防ぐために、粗いシリコンシートをフィラメントの両端に固定しました。 \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの周期的伸縮をスパンデックス弾性試験機 (XN-1A) でテストしました、Shanghai New Fiber Instrument Co., Ltd.、上海、中国）を距離 50 mm、速度 100 mm min−1 で測定します。 フィラメントの直径は、ラテックス厚さ計（CH-12.7-BTSX、Shanghai Liuling Instrument Factory、上海、中国）を使用して測定しました。 すべてのテストは標準環境条件 (20 ± 1 °C、RH 65% ± 2%) で実行され、各サンプルに対して少なくとも 3 つの試験片がテストされました。

熱安定性試験では、熱重量分析装置（TGA8000、Thermofisher、Waltham、USA）を使用して、窒素雰囲気下で約 3 mg のサンプルを 20 °C min-1 の加熱速度で 50 から 800 °C まで加熱しました。

\({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy マルチフィラメントの洗浄性を特徴付けるために、長さ 15 cm のサンプルを撹拌しました。水（40 °C）で800 r min-1の速度で20分間乾燥し、その後60 °Cで乾燥させます。

変形中の抵抗の変化を監視するために、導電性フィラメントまたは導電性布地の両端を、粗いシリコン シートを利用して導電性銅テープに接続しました。 次に、導電性銅テープをソースメーターユニット（Keithley 2450、Tektronix、Cleveland、USA）に接続して、変形中の抵抗の変化を監視しました。 この研究は生きている個人に関するものではなく、個人を特定できる個人情報の収集は含まれていないため、治験審査委員会の承認は前提条件ではありませんでした。 そして、参加者全員からインフォームドコンセントを得ています。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

趙、X.-F. 他。 圧力とひずみを同時に検出するクモの巣状の柔軟な触覚センサー。 ACS アプリケーション。 メーター。 インターフェイス 13、10428 ～ 10436 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Liu、Z.ら。 圧力や曲げに対して鈍感に反応する、通気性と伸縮性に優れたひずみセンサー。 上級機能。 メーター。 31、2007622 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

キム、T.ら。 超音波スプレーされた洗える、ウェアラブル、伸縮性、疎水性、抗菌性のある rgo/agnw 生地は、多機能センサーおよびスーパーキャパシタ用に使用されます。 ACS アプリケーション。 メーター。 インターフェイス 13、10013 ～ 10025 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Chai、Z.ら。 太陽エネルギーの収集と同時の貯蔵のための、カスタマイズ可能なウェアラブル繊維デバイス。 Acs Nano 10、9201–9207 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ジョー、A.ら。 ファブリックエレクトロニクス用の繊維抵抗スイッチングメモリ。 上級機能。 メーター。 27、1605593 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Shi、Xら。 機能システムと統合された大面積ディスプレイテキスタイル。 ネイチャー 591、240–245 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、M.ら。 ヨコ編み生地で伸縮性が高く、低電圧のウェアラブルヒーターです。 上級電子。 メーター。 3、1700193 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

サン、F.ら。 超高引張ひずみと安定したコンダクタンスを備えた伸縮可能な導電性繊維は、ワーム形状のグラフェンマイクロレイヤーによって実現されています。 ナノレット。 19、6592–6599 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ウズン、S. et al. 編み可能で洗濯可能な多機能のMXENコーティングされたセルロース糸。 上級機能。 メーター。 Rev. 29、1905015 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Gao、Y.ら。 超伸縮性導体およびひずみセンサー用の巻きロックされたカーボン ナノチューブ/ポリマー ナノファイバーのヘリカルヤーン。 Acs Nano 14、3442–3450 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Cheng, Y. et al. 超伸縮性と統合可能なエレクトロニクス、筋肉、センサー用の生体模倣導電性蔓。 Acs Nano 12、3898–3907 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Cheng, Y.、Wang, R.、Sun, J. & Gao, L. 被覆糸と銀ナノワイヤからなる高導電性と超伸縮性の電気回路。 Acs Nano 9、3887–3895 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Wu, X.、Han, Y.、Zhang, X. & Lu, C. 伸縮性が高く、堅牢な導体およびセンサー用のスパイラル構造の導電性複合材料。 ACS アプリケーション。 メーター。 インターフェイス 9、23007 ～ 23016 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

リュー、ZFら。 超弾性エレクトロニクス、センサー、筋肉用の階層的に座屈したシースコア繊維。 サイエンス 349、400–404 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Xia, S.、Song, S.、Jia, F.、Gao, G. 人間の動きと生理学的信号をモニタリングするための、柔軟で接着性があり自己修復可能なヒドロゲルベースのウェアラブルひずみセンサー。 J.マット。 化学。 B 7、4638–4648 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

リー、DW、リー、JH & ジン、J.-H. フレキシブルエレクトロニクス向けの座屈構造の革新的な進化。 コンポ。 構造体。 204、487–499 (2018)。

記事 Google Scholar

Chen, ZH、Fang, R.、Li, W. & Guan, J. 伸縮性透明導電体: マイクロ/マクロメカニクスからアプリケーションまで。 上級メーター。 31、1900756 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

リー、L.ら。 ウェアラブルエレクトロニクスや埋め込み型医療向けの動作可能範囲全体で高感度を備えた超伸縮性ファイバーセンサー。 上級科学。 5、1800558 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

He, C.、Sun, S. & Wu, P. 十分に制御されたコンフォーマルで再プログラム可能な座屈を備えた、本質的に伸縮性のあるシースコアイオン感覚繊維。 メーター。 ホリズ。 8、2088–2096 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Ho, MD、Liu, Y.、Dong, D.、Zhao, Y. & Cheng, W. 伸縮性の高い透明な歪みの影響を受けない導体のためのフラクタル金ナノフレームワーク。 ナノレット。 18、3593–3599 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

リー、J.ら。 統合されたテキストトロニクスのための圧縮された微小シワを備えた、本質的に歪みに敏感でない超弾性温度感知ファイバー。 上級メーター。 テクノロジー。 5、2000073 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Islam、GMN、Ali、A. & Collie、S. ウェアラブル アプリケーション用のテキスタイル センサー: 包括的なレビュー。 セルロース 27、6103–6131 (2020)。

記事 Google Scholar

Liu、Y.ら。 銀ナノワイヤベースの柔軟な透明電極の毛細管力誘起冷間圧接。 ナノレット。 17、1090–1096 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Bi, S.、Hou, L. & Lu, Y. ウェアラブルな閉ループのポイントオブケア用途向けの、還元酸化グラフェンとポリピロールをベースにした多機能アルギン酸ナトリウム生地。 化学。 工学 J. 406、126778 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Lv、J.ら。 改良された in situ 重合法により得られるウェアラブルエレクトロニクス用の高性能繊維電極。 化学。 工学 J. 361、897–907 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Mao, J.、Li, C.、Park, HJ、Rouabhia, M.、Zhang, Z. 液体窒素中で波打つ導電性ポリマー。 Acs Nano 11、10409–10416 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、Q.ら。 階層構造の純粋なポリピロール膜をベースにした超低温フレキシブルスーパーキャパシタ。 化学。 工学 J. 420、129712 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. 伸縮性、透明性、導電性に優れたポリマーです。 科学。 上級 3、e1602076 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Daginet-Da Pra, L. & Demoustier-Champagne, S. 導電性ポリマー ナノチューブ アレイの電子構造と分光電気化学的特性の研究。 ポリマー 46、1583–1594 (2005)。

記事 CAS Google Scholar

彼、H.ら。 高い導電性と高い伸縮性を備えた生体適合性導電性ポリマー。 ACS アプリケーション。 メーター。 インターフェース 11、26185–26193 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Popescu, S.、Ungureanu, C.、Albu, AM および Pirvu, C. ポリ (ドーパミン) は、Ti 基板上への粘着性 ppy フィルムの堆積を支援しました。 プログレ。 組織コート。 77、1890–1900 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Song, C. et al. 心臓修復のための外科用縫合糸の絡み合ったバネによる注入可能な導電性三次元弾性ネットワーク。 Acs Nano 13、14122–14137 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Yang, T.、Zhou, W. & Ma, P. ポリ乳酸マルチフィラメントを使用した経編生地の製造と特性。 ポリマー 11、65 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Zheng、L.ら。 導電率が安定した液体金属シースコアマイクロファイバーにより、伸縮性のあるスマートファブリックと自己給電センシングを実現。 科学。 上級 7、eabg4041 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Zhu, S. et al. 液体金属合金コアを使用した金属伝導性を備えた超伸縮性繊維。 上級機能。 メーター。 23、2308–2314 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Kim, A.、Ahn, J.、Hwang, H.、Lee, E.、Moon, J. 銀ナノワイヤ ネットワークに基づいた、伸縮性と折り畳み性の高い一次元導電性コードを開発するための予ひずみ戦略。 ナノスケール 9、5773–5778 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao, Y. et al. 苔からヒントを得た、乾式紡糸による伸縮性ファイバー導体への無電解金コーティング戦略。 上級電子。 メーター。 5、1800462 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Qu、Y.ら。 熱延伸による超弾性マルチマテリアル電子ファイバーおよびフォトニックファイバーおよびデバイス。 上級メーター。 30、1707251 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、B.ら。 ウェアラブルエレクトロニクス向けの亀裂制御戦略に基づいた伸縮性導電繊維。 上級機能。 メーター。 28、1801683 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Lee, S. et al. ウェアラブルエレクトロニクス向けに、伸縮性の高い導電性繊維をAgナノワイヤーで強化しました。 上級機能。 メーター。 25、3114–3121 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Zhang、Z.ら。 伸縮時に高いパフォーマンスを発揮する超弾性スーパーキャパシタ。 上級メーター。 27、356–362 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Wicaksono、I. et al. 生体内の大規模な時空間生理学的センシング用に仕立てられた電子繊維適合スーツ。 npjフレックス。 電子。 4、5 (2020)。

記事 Google Scholar

フォナー、JM et al. ポリピロール合成技術の生体適合性への影響。 バイオメッド。 メーター。 3、034124 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

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著者らは、上海自然科学財団（助成金番号 21ZR1401300）、中国国家自然科学財団（助成金番号 52005097）、中央大学基礎研究基金（2232022A-05）、基礎研究からの支援に感謝します。東華大学の中央大学および大学院生イノベーション基金 (CUSF-DH-D-2021022)、111 プロジェクト (助成金番号 BP0719035)、および DHU 優秀若手教授プログラムの基礎研究基金への基金。 Jing Lin、Bingjun Rao、Zhengwei Wang、Xiaoning Guan の技術支援に多大な感謝を申し上げます。

教育省繊維科学技術重点研究所および東華大学繊維学院、上海、201620、中国

Yimeng Li、Yaya Gao、Lizhen Lan、Qian Zhang、Leqian Wei、Mengqi Shan、Lamei Guo、Fujun Wang、Jifu Mao & Lu Wang

生体医療用繊維材料および技術のための繊維産業の主要研究所、東華大学、上海、201620、中国

Yimeng Li、Yaya Gao、Lizhen Lan、Qian Zhang、Leqian Wei、Mengqi Shan、Fujun Wang、Jifu Mao、Lu Wang

ラヴァル大学医学部外科; 再生医療軸、CHU de Québec Research Center - ラヴァル大学、ケベック州 (QC)、G1V 0A6、カナダ

ゼ・チャン

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LY と MJ がこのプロジェクトを発案しました。 LY、GY、Wei L.、および SM は、伸縮性繊維の調製と測定を実行しました。 LY、LL、ZQ、GL、WF が結果分析を支援しました。 MJ と Wang L. がプロジェクトを監督しました。 LY は MJ と ZZ のサポートを受けてこの論文を執筆しました。 すべての著者が一般的な議論に貢献しました。

ジフ・マオへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Li、Y.、Gao、Y.、Lan、L. 他。 平行に座屈したポリピロール構造により、超伸縮性とウェアラブルな導電性マルチフィラメントを可能にしました。 npj Flex Electron 6、42 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41528-022-00176-6

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受信日: 2022 年 1 月 10 日

受理日: 2022 年 5 月 19 日

公開日: 2022 年 6 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00176-6

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