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Nov 15, 2023

Multifilamento conductor ultraelástico y portátil gracias a una estructura de polipirrol abrochada en paralelo

npj Flexible Electronics volumen 6, Número de artículo: 42 (2022) Cite este artículo 1845 Accesos 10 Citas 1 Detalles de Altmetric Metrics Las fibras conductoras estirables han atraído mucha atención debido a

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Las fibras conductoras estirables han atraído mucha atención debido a su uso potencial en electrónica portátil. Sin embargo, la conductividad insensible a la deformación ultraalta se ve obstaculizada por un desajuste mecánico en el módulo de Young y la falla de las estructuras estirables bajo una gran deformación. Este desafío se aborda con un multifilamento conductor y elástico hecho de monofilamentos de poliuretano cuya superficie está recubierta con polipirrol (PPy) curvado, cuya flexibilidad mejora con el sulfosalicilato de sodio. Estos monofilamentos conductores paralelos con pandeo de PPy en la superficie reducen la influencia de las grietas en el revestimiento conductor sobre la conductividad general, mostrando un comportamiento insensible a la tensión ultra alta (factor de calidad Q = 10,9). Sorprendentemente, varias formas complejas de textiles electrónicos portátiles fabricados con este multifilamento conductor mantienen el comportamiento insensible a la tensión del multifilamento original, incluso ante la gran deformación de la articulación humana. Este multifilamento con PPy arrugado tiene ventajas atractivas en la aplicación de dispositivos electrónicos portátiles superestirados.

En los últimos años, los textiles electrónicos portátiles, como sensores1,2, dispositivos de recolección y almacenamiento de energía3,4, dispositivos de memoria5, pantallas6 y calentadores7, han atraído un interés creciente tanto por parte de las comunidades industriales como de investigación. El rápido crecimiento de los textiles electrónicos portátiles impone una gran demanda de circuitos electrónicos flexibles y estirables para garantizar la transmisión estable y sin pérdidas de señales eléctricas bajo un gran estiramiento mecánico8,9. Se han desarrollado varios métodos tecnológicos, incluida la estructura de bobina helicoidal10,11, la estructura de "resorte entrelazado"12, la estructura en capas13 y la estructura abrochada8,14 para fabricar el circuito electrónico estirable con el fin de diseñar fibras e hilos multifuncionales. La estrategia más comúnmente utilizada se basa en construcciones geométricas basadas en principios de resortes helicoidales, lo que permite una electrónica extensible de alto rendimiento10,11. A pesar de la eficacia del método, desventajas como las estructuras multidimensionales que a menudo requieren materiales de unión y tecnología de unión complejos, y el movimiento no plano de las bobinas durante el estiramiento, instigaron la búsqueda de otras estrategias alternativas15. Los compuestos fibrosos conductores con una estructura de capas en espiral formada por laminación de las películas sólo proporcionan una solución insatisfactoria por su bajo comportamiento insensible a la deformación (factor de calidad Q = 0,57 a 356%)13. Por lo tanto, un circuito electrónico estirable a base de fibra con fácil integración y comportamiento altamente insensible a la tensión sigue siendo extremadamente deseable para los textiles electrónicos portátiles.

Se han utilizado estructuras de pandeo para superar las limitaciones espaciales manteniendo una conductividad constante en varios dispositivos flexibles16. El módulo aparente de los elementos conductores se puede reducir significativamente formando estructuras pandeadas, por ejemplo, rizadas, onduladas y arrugadas, en la superficie del sustrato elástico, garantizando la capacidad de estiramiento del circuito basado en fibra conductora17. Por ejemplo, se preparó un multifilamento conductor en forma de gusano preestirando primero un núcleo de multifilamento de poliuretano (PU) y luego recubriéndolo con una capa de grafeno8. Tal estructura permitió un cambio de resistencia insignificante (aproximadamente 0,26) hasta un 300% de deformación. Sin embargo, se observó un aumento en la resistencia eléctrica en la etapa inicial de estiramiento debido a la separación de las arrugas de grafeno, una propiedad útil para sensores18,19 pero indeseable para circuitos electrónicos estirables. Además, aunque se ha demostrado que la estructura pandeada puede aliviar eficazmente el desajuste mecánico entre los elementos conductores y el sustrato, siempre se requiere una alta interacción interfacial para mejorar el rendimiento del ciclo17. Por tanto, es fundamental seleccionar los elementos conductores para diferentes sustratos con el fin de obtener una interacción interfacial superior.

Los elementos conductores utilizados en la electrónica estirable incluyen principalmente nanocables metálicos20, nanomateriales de carbono8 y polímeros conductores21,22. Algunos de los métodos de recubrimiento más utilizados para los dos primeros incluyen pulverización y recubrimiento por inmersión. Se informaron daños y desuniones en la interfaz durante el estiramiento, lo que muestra la necesidad de aumentar aún más las interacciones interfaciales entre los elementos conductores y el sustrato17,23. Por el contrario, se puede lograr una fuerte interacción interfacial entre polímeros conductores y sustratos mediante un método simple de polimerización in situ. Por otro lado, los polímeros conductores son más compatibles con los sustratos elastoméricos en propiedades mecánicas que con los nanocables metálicos y los nanomateriales de carbono17. Entre los polímeros conductores, el polipirrol (PPy) ha atraído gran atención debido a su peso ligero, bajo costo, buena conductividad eléctrica y buena biocompatibilidad24. Sin embargo, el desajuste mecánico en el módulo de Young, la deformación por tracción a la fractura y la resistencia a la tracción entre el PPy y un sustrato elastomérico todavía existe a pesar de que todos son polímeros. En consecuencia, un recubrimiento de PPy flexible (es decir, con módulo de Young bajo) es esencial para lograr una capacidad de estiramiento superior.

En este documento, inspirados en la estructura de los haces de fibras musculares eléctricamente sensibles, diseñamos un haz de fibras conductoras y elásticas hecho de monofilamentos de PU cuya superficie estaba recubierta con PPy abrochado mediante un método simple de polimerización in situ. Estos monofilamentos conductores paralelos con pandeo de PPy en la superficie redujeron la influencia de las grietas en el revestimiento conductor sobre la conductividad general, mostrando un excelente comportamiento insensible a tensiones ultraaltas. Tenga en cuenta que la flexibilidad del PPy mejoró al agregar sulfosalicilato de sodio (NaSSA) como plastificante. Este multifilamento conductor en particular exhibió un diámetro pequeño (0,21 mm), una buena conductividad inicial (238,0 S m-1) y un rendimiento notable insensible a la tensión (Q = 10,9). Incluso con una tensión de tracción del 900%, aún mantenía una conductividad eléctrica estable (el cambio de resistividad relativa fue solo de 3,5) y una capacidad de recuperación. Más importante aún, esta fibra conductora se puede integrar fácilmente en la tela mediante tejido, tejido o bordado. Este multifilamento de PU integrable, altamente elástico, ultrafino y altamente conductor es altamente competitivo para los textiles portátiles inteligentes.

El tejido muscular, el principal contribuyente al movimiento fisiológico, posee una estructura alineada compuesta de múltiples fibras y es sensible a las señales eléctricas (Fig. 1a). Inspirándonos en esta estructura, desarrollamos el multifilamento conductor basado en dos principios, es decir, conductividad insensible a la tensión bajo tensión ultra alta y fácil integración en dispositivos portátiles. Para este último requisito, sin duda, las fibras más finas ofrecerán indudables posibilidades de integrarse en los compactos y sofisticados textiles electrónicos. De manera similar a los haces de fibras musculares, el multifilamento conductor de PU estaba hecho de múltiples monofilamentos paralelos con el PPy pandeado en la superficie, con el proceso de fabricación detallado ilustrado en la Fig. 1b. \({{{\mathrm{PU}}}}_y^x\) @PPy denota que el multifilamento de PU era de x denier (D, un denier tiene una densidad lineal de un gramo de masa por 9000 m de fibra) y el PPy El recubrimiento se preparó bajo la tensión de preestiramiento y. Antes de la deposición in situ de PPy, se introdujo polidopamina (PDA) en la superficie del multifilamento de PU preestirado para mejorar la humectabilidad mediante una polimerización en solución mejorada con recubrimiento de DA. Se adoptó un método de polimerización in situ mejorado para obtener una capa de recubrimiento de PPy homogénea en cada monofilamento del multifilamento de PU preestirado25. Después de soltar el estiramiento, se formaron arrugas de PPy en la superficie de cada monofilamento. Es esta estructura la que le da al multifilamento una conductividad estable bajo alta tensión. Por lo tanto, el brillo del LED apenas cambió entre el 0% y el 900% de tensión (Fig. 1c). Además, el multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy puede poseer una alta conductividad a una talla pequeña. Gracias a su fino diámetro, el multifilamento conductor puede pasar a través de una aguja de coser n.° 1, lo que sugiere que se puede fabricar en dispositivos electrónicos portátiles con las tecnologías textiles existentes (Fig. 1d).

Un modelo prototípico del multifilamento PU@PPy. b Ilustración esquemática de la preparación del multifilamento conductor PU@PPy. c Imágenes ópticas que muestran la respuesta del LED a diferentes alargamientos del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilamento . La barra de escala es de 20 mm. d Imagen SEM que muestra el multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pasando a través de una aguja n.º 1 . La barra de escala es de 300 μm.

La flexibilidad limitada del PPy debido a su estructura rígida conjugada es el mayor obstáculo para su aplicación en conductores estirables26. Hubo grietas bajo una pequeña tensión en la superficie del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilamento cuando solo se usó FeCl3 como dopante (Figura 1 complementaria). En este trabajo, además de disminuir el módulo aparente de la capa de PPy mediante el diseño estructural, también se utilizó NaSSA como plastificante para mejorar la flexibilidad intrínseca. Las películas de PPy con o sin NaSSA se sintetizaron mediante polimerización interfacial (se pueden encontrar más detalles en la Información de respaldo) para determinar si la incorporación de NaSSA realmente mejoró la propiedad mecánica. Como se muestra en las figuras complementarias 2a-c, el alargamiento de rotura de las películas de PPy con Cl−/SSA− como dopante (\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}} /{\mathrm{NaSSA}}}\)) fue 8,58%, que fue mucho mayor que el (3,81%) de la película de PPy con Cl− como dopante (\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm {FeCl}}_{{3}}}\)). El método del voladizo demostró además un ángulo de flexión mayor (51,20°) de la película \({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\), lo que confirma que la flexibilidad La película de PPy fue mejorada por NaSSA (Figura complementaria 2d). La película \({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\) exhibió una capacidad increíble bajo flexión repetida a temperatura ambiente (Fig. 2a). Más interesante aún, esta flexibilidad se mantuvo en el nitrógeno líquido (Fig. 2b y Video complementario 1). Anteriormente informamos sobre las prístinas membranas de PPy que son tan blandas en nitrógeno líquido como a temperatura ambiente y también analizamos este interesante fenómeno26,27. En este trabajo, también se creía que las propiedades intrínsecas eran la causa de la flexibilidad tanto de las películas como de los recubrimientos de PPy. Además, es contradictorio que los polímeros conductores tengan al mismo tiempo una alta conductividad y una alta flexibilidad28. Curiosamente, NaSSA podría mejorar no solo la flexibilidad del PPy sino también la conductividad. La conductividad de PU@PPy aumentó de 70,8 ± 4,6 S m-1 a 358,2 ± 27,9 S m-1 después de que se empleó NaSSA como dopante.

a Películas de PPy que se doblan a temperatura ambiente. b Películas de PPy ondeando en nitrógeno líquido. c Espectros XPS de escaneo completo; Espectros de alta resolución de d N1 de películas de PPy. e Ilustración esquemática de PPy estirable con NaSSA como plastificante. Imágenes SEM del \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sin tratamiento PDA de f longitudinal y g vistas en corte transversal. La barra de escala es: 50 μm, inserción de 5 μm. h Imagen AFM del \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy con tratamiento PDA.

Para explicar con más detalle el papel de NaSSA en la mejora de la conductividad y flexibilidad del PPy, los análisis químicos se exploraron utilizando XPS y espectro Raman. Se observó el elemento azufre (S) en el espectro XPS del PPy con FeCl3 / NaSSA como dopante, lo que confirma que NaSSA actuó como contraiones (Fig. 2c). Y el contenido relativo de -NH+- (26,59%) en el PPy con FeCl3/NaSSA como dopante fue mayor que el (21,55%) en la muestra sin dopaje de NaSSA, lo que indica que NaSSA podría mejorar la conductividad del PPy al aumentar el dopaje. nivel (Fig. 2d). También se midieron los espectros Raman del PU@PPy preparado con o sin NaSSA como dopante. El espectro (Figura complementaria 3) muestra las bandas principales de PPy a 1576 cm-1 (estiramiento C = C), 1374 y 1327 cm-1 (dos bandas de estiramiento de anillo), 1238 cm-1 (antisimétrico C-H en flexión plana), 1084 y 930 cm−1 (la estructura bipolar), y 1046 y 963 cm-1 (la estructura polaron)25. Las relaciones entre las absorciones de bipolarón (1084 y 930 cm−1) y polarón (1046 y 963 cm−1) se utilizaron para estimar el grado de dopaje y estas relaciones se informan en la Tabla complementaria 129. Relaciones bipolarón/polarón más altas de la PU @PPy preparado con NaSSA como dopante se consideró como una evidencia que explica que el dopante NaSSA también mejoraba la conductividad del PPy. Se ha informado que los aniones sulfonato y sulfonimida tienen un efecto de detección de carga que debilita las interacciones entre polímeros28. Lo que es particularmente importante es que el dopaje con d-sorbitol podría debilitar las interacciones entre las cadenas poliméricas para mejorar la flexibilidad mecánica30. Por lo tanto, sospechamos que NaSSA tiene dos efectos: 1. Las moléculas de NaSSA debilitaron las interacciones entre las cadenas de PPy (Fig. 2e) y, por lo tanto, facilitaron el movimiento de las cadenas moleculares, lo que condujo a un módulo intrínseco reducido de PPy; 2. Los dopantes NaSSA aumentaron el nivel de dopaje de PPy, lo que resultó en una conductividad mejorada.

Para evaluar el efecto del PDA sobre la estructura de pandeo, se analiza la morfología del \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\ ) Se observó multifilamento @PPy con o sin tratamiento con PDA (Fig. 2f – hy Fig. Suplementaria 4a – c). Las grietas de PPy a lo largo del eje de la fibra solo se observaron en el multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. sin tratamiento con PDA (Fig. 2f y Fig. complementaria 4a), lo que indica que el uso de PDA evitó que PPy se agrietara. Esto se debió a que el recubrimiento de PDA aumentó la deposición de PPy31, lo que resultó en un recubrimiento de PPy grueso que era más resistente a la expansión circunferencial cuando se soltó el filamento. De hecho, el espesor del PPy en \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fue 0,80 ± 0,17 μm, mientras que sin PDA fue de solo 0,54 ± 0,10 μm (Figuras complementarias 4b y 2g). Además, la altura de los pandeos en el PU @ PPy con modificación de PDA (~ 1,56 μm) fue mucho mayor que sin PDA (~ 0,25 μm), como se muestra en la Fig. 2h, la Fig. 5 complementaria y la Fig. 4c complementaria. . Tales diferencias en la forma y el tamaño de la estructura de pandeo también fueron causadas por el espesor del recubrimiento de PPy (se puede encontrar un análisis más detallado en el Método complementario 1). Sorprendentemente, las imágenes SEM de las secciones transversales revelaron que cada monofilamento del multifilamento modificado con PDA estaba recubierto con PPy pandeado, en contraste con el recubrimiento incompleto de PPy en los monofilamentos no modificados (Fig. 2g y Fig. complementaria 4b). Se trata de una estructura fascinante que hasta ahora rara vez se había observado y reportado en la literatura.

Para investigar el efecto del tiempo de polimerización en la forma del pandeo, se polimerizó PPy en el \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}} }}}\) @PPy para diferentes momentos. En comparación con la superficie lisa del multifilamento de PU (Figura complementaria 6a), la superficie de cada monofilamento paralelo dentro del multifilamento PU@PPy estaba completamente cubierta por arrugas densas y regulares de PPy (Figura complementaria 6b-f). La presencia de PPy se confirmó mediante el análisis FTIR de acuerdo con el pico característico a 993 cm-1 asignado al estiramiento en el plano de =CH (Figura complementaria 7)32. La conductividad más alta (Figura complementaria 8) y el pandeo más denso (Figura complementaria 6) en el \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy multifilamento se obtuvieron cuando el tiempo de polimerización fue de 24 h, el cual se consideró como el tiempo de reacción óptimo.

Para dilucidar los efectos de la estructura de pandeo sobre las propiedades mecánicas, evaluamos el multifilamento PU@PPy hecho de un número diferente de monofilamentos, el multifilamento PU y el \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420 {{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilamento preparado bajo diferentes cepas de preestiramiento (Figura complementaria 9). A medida que aumentaba el número de monofilamentos, la resistencia a la rotura del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy disminuyó gradualmente, mientras que el alargamiento a la rotura mostró una tendencia opuesta ( Figura complementaria 9a – c). Lo primero se atribuyó al aumento en la probabilidad de nudos débiles a medida que aumenta el número de monofilamentos, y lo segundo se relacionó con el aumento en el diámetro del multifilamento33. Las propiedades mecánicas del PU sin recubrimiento de PPy también mostraron una tendencia similar, lo que nos hace creer que este fenómeno fue causado por la estructura del multifilamento de PU en lugar del recubrimiento de PPy (Figuras complementarias 9d-f). También se evaluaron las propiedades de tracción del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy preparado bajo diferentes deformaciones previas al estiramiento (Documento complementario). Figuras 9g-i). Aunque el alargamiento del multifilamento disminuyó gradualmente con el aumento de la tensión de preestiramiento, todos los multifilamentos exhibieron una alta capacidad de estiramiento sobresaliente (>1000%) y una resistencia a la rotura similar (~100 MPa), en consonancia con estudios previos8. Además, el multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy mostró una buena recuperabilidad dentro del 100%. tensión y una pequeña histéresis dentro del 200% de tensión que es comparable a las de la referencia (Figura complementaria 10a) 8,34. Después de 100 ciclos de carga y descarga bajo una tensión del 100%, el rendimiento de recuperación del multifilamento apenas se deterioró (Figura complementaria 10b). La gran resistencia y las propiedades altamente elásticas del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilamento podrían garantizar la disponibilidad para la fabricación de textiles electrónicos portátiles de gran tensión.

La dependencia de la deformación del cambio de resistencia relativa (ΔR/R0) del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy con diferentes números de monofilamento paralelo se evaluó más a fondo para demostrar la función de la estructura paralela (Fig. 3a – c). Como se muestra en la Fig. 3c, todos los \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy exhibieron un cambio de resistencia insensible a la deformación similar con una deformación baja (<50%) debido al revestimiento de PPy con forma de pandeo análogo, cuya distancia entre los pandeos adyacentes era de aproximadamente 5 μm (Figura complementaria 11a-e). La morfología pandeada es un factor importante que afecta el comportamiento insensible a la deformación a baja deformación, como se informó en estudios previos18,21. Cuando la deformación aumentó aún más, la dependencia de la deformación de ΔR/R0 del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy disminuyó a medida que aumentaba el número de monofilamentos. Esto se debía a que incluso si el recubrimiento de PPy de un monofilamento se rompiera, los recubrimientos de PPy de otros monofilamentos en la misma sección transversal aún podrían estar intactos para permitir que la electricidad fluya libremente, gracias a la desaparición del espacio libre entre los monofilamentos durante el estiramiento hasta el extremo ultra. -tensiones altas. Obviamente, esta probabilidad aumentó a medida que aumentaba el número de monofilamentos. Sin embargo, la electrorespuesta a la deformación del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fue no se redujo más porque el recubrimiento conductor no logró penetrar completamente profundamente en el grueso multifilamento de PU, es decir, 840D, lo que se confirma por los filamentos blancos en lugar del recubrimiento negro de PPy dentro del \({{{\mathrm{PU}}}}_{ 50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy y expuesto después de romperse (Fig. 3b).

a Diagrama esquemático de monofilamentos conductores paralelos con revestimiento de PPy pandeado. b Fotos ópticas de \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy y \({{{\mathrm {PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy después de romperse. La barra de escala es de 2 mm. c Cambio de resistencia relativa de \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy con diferentes diámetros al aumentar la deformación. Imágenes SEM de la sección transversal de d \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy y e \ ({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy. La barra de escala es: 100 μm, inserción de 15 μm. f Cambio en la resistencia relativa del multifilamento conductor y del filamento de núcleo de funda bajo estiramiento. g Mecanismo de trabajo del multifilamento conductor paralelo bajo tensión creciente. h Trayectoria actual (flecha amarilla) a lo largo del multifilamento durante el estiramiento.

Para demostrar de forma más intuitiva el rendimiento insensible a la tensión del monofilamento conductor en paralelo (\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}} \) @PPy, la imagen SEM de su sección transversal se presenta en la Fig. 3d), y los filamentos de núcleo de vaina con revestimiento de PPy en forma de pandeo (Fig. 3e), denominados \({{{\mathrm{PU} }}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy, se prepararon como control (consulte la Información de respaldo para obtener más detalles). La Figura 3f evidentemente ilustra que el ΔR/R0 del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@ El multifilamento PPy era mucho más alto que el del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy por debajo del 200% tensión (1,67 frente a 0,18). Más importante aún, el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy exhibió un mejor comportamiento insensible a la tensión, manteniendo el ΔR/R0 en un nivel bajo (3,50) hasta que la deformación alcanzó el 900%, mientras que ese valor del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @WPU@PPy aumentó bruscamente a 74,00.

Para explicar mejor la alta insensibilidad a la tensión del conductor PU@PPy, se estableció un modelo para demostrar cómo el PPy cambió durante el estiramiento, como se muestra en las figuras 3g y h. El proceso de estiramiento se puede dividir generalmente en tres etapas. En la primera etapa, cuando la deformación ε < deformación de preestiramiento εp, el pandeo PPy se expande gradualmente y la resistencia permanece constante R = R0, donde R0 es la resistencia inicial. A diferencia de estudios previos8,35, nuestro trabajo no mostró el fuerte aumento de la resistencia causado por la reducción del área de contacto entre hebillas adyacentes durante el estiramiento. Las imágenes AFM (Fig. 2h) y SEM (Fig. 11 y 12 complementarias) del multifilamento PU @ PPy muestran una estructura de pandeo ordenada. En la segunda etapa donde ε > εp, el recubrimiento de PPy comienza a mostrar una deformación por tracción, que se manifiesta por la disminución del espesor y el aumento de la longitud del recubrimiento de PPy. Cuando se tiene en cuenta el efecto Poisson, la resistencia en esta etapa viene dada por la ecuación. (1).

donde γ es la relación de Poisson del recubrimiento de PPy y \(R_{\varepsilon _{{{\mathrm{p}}}}}\) es la resistencia del PU@PPy en la deformación εp. Se pueden encontrar más detalles en el Método complementario 2. Bajo tensión excesiva, aparecen grietas en el revestimiento de PPy, lo que dificulta el flujo de corriente. Sin embargo, debido a que los monofilamentos conductores son independientes entre sí, las grietas en un filamento no se propagan a los monofilamentos circundantes, y la unión estrecha entre los monofilamentos bajo alta tensión puede garantizar la ruta conductora intacta para la corriente eléctrica. Como se muestra en la figura complementaria 13, se utiliza un modelo de resistencia equivalente para explicar la estabilidad eléctrica. El multifilamento conductor puede considerarse como numerosas resistencias en serie a lo largo de la dirección longitudinal, y se puede considerar que cada resistencia está compuesta por múltiples resistencias paralelas a lo largo de la dirección perpendicular o de la sección transversal (el número de resistencias paralelas es el número de monofilamentos conductores ). Cuando se producen grietas en algunas resistencias, su conductividad cae drásticamente; sin embargo, otras resistencias paralelas a ellas aún mantienen la conductividad. En esta etapa, la resistencia se puede calcular mediante la ecuación. (2).

donde erf(x) es la función de error y q, p, ε0 y μ son parámetros de ajuste. Se pueden encontrar más detalles en el Método complementario 3.

Además, se estudiaron las propiedades insensibles a la deformación del multifilamento conductor con diferentes deformaciones previas al estiramiento (Fig. 4). Como se muestra en la Fig. 4a, el ΔR/R0 de todos los multifilamentos \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy aumentó con el aumento de la tensión de tracción. Y la tasa de aumento en ΔR/R0 disminuyó a medida que aumentaba la deformación previa al estiramiento, lo que estaba relacionado con la forma de pandeo (Figura complementaria 12). La conductividad eléctrica del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy estirable se calculó además con el volumen del multifilamento asumido constante. durante el estiramiento, como se muestra en la Fig. 4b. Con el incremento en la deformación axial, la conductividad del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy aumentó de 238,0 S m−1 a 5304,0 S m−1, lo que concordó con lo reportado en la literatura8,30. Esto puede deberse al efecto sinérgico entre la expansión de las hebillas de PPy y la alineación inducida por el estrés de las cadenas conductoras de PPy30. Sorprendentemente, el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy exhibió un amplio rango de reversibilidad de electro-respuesta , sin tendencia a la baja hasta la tensión ultra alta del 900%. Este comportamiento se atribuyó a las estructuras paralelas que tienen la capacidad de proporcionar una ruta conductora adicional bajo una tensión ultraalta debido al estrecho contacto entre los monofilamentos. El rendimiento insensible a la tensión del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy y el \({ {{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fue similar (Fig. 4a) porque el pequeño espacio libre entre los monofilamentos bajo una alta tensión de tracción hizo que el PPy fuera difícil de penetrar en el multifilamento de PU (Fig. 4c), lo cual fue respaldado por la observación de la sección transversal del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{ {\mathrm{D}}}}}\) @PPy (Figura complementaria 14) y por el porcentaje en peso de PPy (Figura complementaria 15 y Tabla complementaria 2). Esta tendencia era común a otros PU @ PPy de diferentes números de monofilamentos conductores paralelos (Figura complementaria 16). Además, la conductividad inicial del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy disminuyó de 344,1 S m−1 a 125,4. S m −1 cuando la tensión de preestiramiento aumentó de 0% a 300% (Fig. 4b), lo que también indica que las hebillas adyacentes son independientes, es decir, no están en contacto (Fig. 12 complementaria) y la reducción del porcentaje de peso de PPy en el multifilamento resultante de la dificultad para que PPy penetre en el multifilamento de PU apretado bajo la alta tensión de preestiramiento (Figura complementaria 15 y Tabla complementaria 2).

a Cambio de resistencia relativa de \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy al aumentar la tensión. b Curvas de conductividad-deformación de \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. c El diagrama del efecto de permeación del multifilamento con diferentes tensiones de preestiramiento en moléculas pequeñas (como DA, FeCl3, NaSSA y Py representadas por esferas verdes). de Comparación de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy con conductor 1D reportado en la literatura (Ref. .8,12,35,36,37,38,39,40,41). f imágenes SEM y g la resistencia de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy bajo tensión creciente. La barra de escala es de 100 μm.

Además, se evaluó la conductividad eléctrica del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy con diferentes deformaciones de preestiramiento mediante la curva IV bajo un voltaje de carga de 5 V (Figura complementaria 17). Todos los multifilamentos exhibieron una forma lineal, lo que indica que el multifilamento obedece la ley de Ohm. Y la disminución de la pendiente de las curvas también confirmó que la resistencia del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy aumentó después del tratamiento de tensión previo al estiramiento.

El factor de calidad Q = (Δl/l0)/(ΔR/R0) se adoptó para evaluar más a fondo el comportamiento insensible a la deformación del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420 {{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy14. En comparación con los conductores estirables lineales 1D reportados en la literatura8,12,35,36,37,38,39,40,41, el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420 {{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy exhibió un factor Q mucho mayor bajo ultradeformación y finura (Fig. 4d y e, se pueden encontrar datos detallados en la Tabla complementaria 3). Como se muestra en la Fig. 4d, el factor Q de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fue de 10,9 con un alargamiento del 200%, que se encuentra entre los mejores en comparación con la literatura. Luego, la Q se mantuvo en 2,6 hasta un 900 %, lo que demuestra el buen comportamiento insensible a la tensión de este multifilamento conductor bajo una tensión ultraalta. Sorprendentemente, el diámetro del multifilamento es de solo 0,21 mm, mucho más pequeño que el de cualquier otro conductor informado (Fig. 4e), lo que ofrece grandes posibilidades para su integración en dispositivos portátiles inteligentes.

Para probar el modelo hipotético anterior del monofilamento conductor paralelo bajo una tensión creciente, se realizó una prueba de tracción in situ utilizando el SEM equipado con un soporte de tracción (Fig. 4f y videos complementarios 2-4). El PPy se dobla en la superficie \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy se expandió gradualmente a medida que se estiraba (suplementario). Video 3), mientras comenzaba el recubrimiento de PPy en la superficie \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy agrietarse con aproximadamente un 45 % de tensión (vídeo complementario 2). Para observar las tres etapas de cambio en el recubrimiento de PPy, un \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @ PPy (deformación entre 150% y 200%) se mantuvo sobre la mesa de estiramiento de tracción SEM in situ. El vídeo complementario 4 registró las tres etapas anteriores en el proceso de estiramiento del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\ ) @PPy, ratificó nuestro modelo y los supuestos. La γ en la ecuación. (2) para \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy se obtuvo del vídeo complementario 2. La ecuación (3) proporciona la resistencia del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy durante el estiramiento. proceso.

La resistencia teórica del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy durante el estiramiento se muestra en la Fig. 4g, que se ajustaba bien a los datos del experimento. La diferencia entre los resultados teóricos y experimentales en la primera etapa puede deberse al cambio de volumen del recubrimiento de PPy bajo la presión entre los monofilamentos a lo largo de la dirección de la sección transversal durante el proceso de expansión de la hebilla.

La reversibilidad es un parámetro muy importante para los textiles electrónicos portátiles. Las Figuras 5a-d muestran las curvas IV del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy en diferentes elongaciones. Con un alargamiento del 200%, la pendiente de la curva IV era ligeramente menos pronunciada con respecto a la del alargamiento del 0% (Fig. 5a), y la lámpara LED conectada al filamento permaneció muy brillante (recuadro de la Fig. 5a). Cuando el alargamiento alcanzó el 500%, la resistencia del filamento aumentó aproximadamente al doble y el LED comenzó a atenuarse (Fig. 5b). La Figura 5c muestra que incluso con un alargamiento del 900%, la resistencia del filamento aún podría usarse como conductor para encender la lámpara LED. Esto confirmó que el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy se puede utilizar de forma fiable como conductor extensible. bajo tensiones muy grandes. Después de la recuperación, la resistencia del filamento solo aumentó en un 15% (Fig. 5d), debido a la rotura del PPy. La Figura 5e presenta el cambio periódico de resistencia en 1500 ciclos de estiramiento-recuperación con tensión cambiada del 0% al 20%. La resistencia al 0% de deformación solo aumentó un 3% después de 1500 ciclos, lo que demuestra la notable reversibilidad y estabilidad del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy. Para verificar adicionalmente la reutilización del multifilamento, se caracterizó la conductividad del multifilamento después del lavado en agua. El ciclo completo de lavado de una lavadora, que dura 34 minutos, incluye cuatro pasos: lavado en caliente, aclarado, escurrido y secado42. Simulamos este proceso utilizando un método similar a la prueba de lavado de solidez del color (GB/T 3921-2008). Por simplicidad, se reemplazó la etapa de enjuague por una etapa de lavado en caliente más intensa y se omitió la etapa de drenaje, que causaba poco daño a las fibras. Por lo tanto, durante una prueba de lavado simulada, el multifilamento se sometió a un lavado en caliente (800 rpm, 40 °C, 20 min) y un secado (60 °C, 15 min). A medida que aumentó el número de lavados, la conductividad disminuyó gradualmente debido al proceso de desdopaje del PPy;43 sin embargo, la conductividad todavía era de 94,6 S m-1 después de 16 lavados (Figura complementaria 18). En el movimiento del cuerpo humano, la deformación por estiramiento suele ir acompañada de una deformación por flexión (Fig. 5f). Por lo tanto, también se estudió la resistencia del filamento tanto al estiramiento como a la flexión para simular mejor el movimiento del cuerpo humano. Diseñamos un instrumento de estiramiento y flexión (Fig. 5g) con un sistema LED para monitorear el cambio en tiempo real en la resistencia del filamento, y los resultados se muestran en la Fig. 5h. En un ángulo de flexión alto de 70°, la resistencia del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @ El PPy cambió solo un 3,5%, mientras que la resistencia del \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy aumentó en un 6441,6%. El \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy mostró una conductividad insensible inigualable, como lo demuestra el apenas variaciones notables en el brillo del LED (Fig. 5f y video complementario 5).

a–d Las curvas IV de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy en diferentes deformaciones (200 %, 500%, 900% y recuperación). e La prueba de carga y descarga cíclica 1500 de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy por debajo del 20% cepa. El recuadro muestra 5 ciclos al principio y al final de los 1500 ciclos, respectivamente. f Esquemas para la deformación dual por flexión (rosa) y estiramiento (púrpura) para el movimiento del cuerpo humano. g Instrumento de estiramiento-flexión del filamento. h Cambio de resistencia en tiempo real del filamento durante un proceso de estiramiento-flexión.

La conductividad real es otro factor importante además del factor de calidad que afecta la aplicación de conductores de fibra al sistema de circuito portátil. En cuanto a la aplicación en materiales conductores estirables 3D y 2D, nuestro multifilamento conductor de pequeño diámetro se puede utilizar para fabricar textiles electrónicos más compactos y sofisticados con tecnología textil. Integrar varias fibras en una hebra doblando y torciendo, o integrando muchas fibras en una tela tejiendo, tejiendo y bordando es casi un paso esencial en el proceso de formación de textiles. Esto equivale a conectar varios conductores en paralelo, lo que da como resultado una resistencia general más baja. Aunque poner resistencias en paralelo es una forma eficaz de mejorar la conductividad del circuito, inevitablemente da como resultado un aumento de tamaño. Al beneficiarse del pequeño diámetro del multifilamento conductor en este trabajo, los hilos aún podrían cumplir con los requisitos de integración de la electrónica compacta y sofisticada después del paralelo. Tomando como ejemplo la integración de varias fibras en un hilo mediante duplicación y torsión, suponiendo que la sección transversal de la fibra es circular e ignorando la deformación por extrusión entre fibras, según la teoría de empaquetamiento más cercana, la resistencia del hilo obtenida por torsión 7 Las fibras se reducen en un factor de 7, mientras que el diámetro sólo aumenta en un factor de tres. Para probar nuestra hipótesis, se fabricó una hebra formada retorciendo 7 multifilamentos conductores. El diámetro de las fibras conductoras era de aproximadamente 0,65 mm (Figura complementaria 19a) y la resistencia inicial era aproximadamente una séptima parte de la de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420 {{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy (Figura complementaria 19b), que es consistente con el modelo teórico. Es importante destacar que la finura de los hilos es mejor que la de los conductores de fibra informados anteriormente y la conductividad eléctrica también es comparable8,12,41. Para validar aún más la posible aplicación en circuitos portátiles, se diseñó un sistema LED con hilos formados al torcer 16 multifilamentos conductores como un circuito. Se pudo observar visualmente que los LED estaban encendidos a 3 V (Figura complementaria 19c), lo que indica una pérdida de energía insignificante en el circuito.

De manera similar, integrar muchas fibras en una tela mediante tejido, tejido y bordado es una forma eficaz de mejorar la conductividad del circuito. Para demostrar la viabilidad de preparar textiles electrónicos compactos y sofisticados, se utilizaron tejidos textiles fabricados con el multifilamento conductor mediante tejido, tejido y bordado, respectivamente (Fig. 6a-d y Fig. complementaria 20). El telar de pinzas y las máquinas de tejer circulares utilizadas se muestran en las figuras 6a y c. Diferentes trayectorias de fibras (bucles o líneas rectas, Fig. 6b y d) y disposiciones de fibras (Fig. 20a y 6b complementarias), diferentes formas de tela (láminas o tubos, recuadro de Fig. 6b y d) y patrones complejos (Fig. 6b y d complementarias) .20b) se puede producir fácilmente mediante tecnología textil. Las telas de ligamento tafetán con el \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy o \({{{ \mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy ya que las tramas se utilizaron para evaluar la funcionalidad del multifilamento conductor después del tejido (Fig. .6a y b) porque el tejido con tecnologías de conformación textil provoca la mayor abrasión en el revestimiento de PPy. La figura complementaria 21 muestra que la resistencia inicial del tejido integrada por cuatro \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\ ) @PPy se reduce a aproximadamente una cuarta parte de la resistencia de una sola fibra. Además, también se evaluaron los cambios en la resistencia (R/R0) durante el estiramiento, el estallido y la torsión para simular las deformaciones robustas cuando se utilizan en textiles electrónicos portátiles. La Figura 6e revela que el R/R0 del tejido integrado con el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy tenía solo 1,46 bajo una tensión del 300%, que era mucho menor que la del tejido compuesto por \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy (170.78), lo que indica que la tela heredó el comportamiento insensible a la tensión del multifilamento conductor original. El proceso de estallido, es decir, aplicar una tensión vertical al tejido, no puede ignorarse en el caso de los textiles inteligentes. Se diseñó un dispositivo para aplicar la tensión vertical y en la Fig. 6f se muestra el cambio en la resistencia de la tela durante el proceso de estallido. Cuando la varilla (diámetro: 5 mm) perpendicular a la tela (20 mm × 20 mm) descendió a 17 mm, la resistencia de la tela deformada compuesta por \({{{\mathrm{PU}}}}_{200 \% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy solo aumentó un 30% mientras que la resistencia del tejido compuesto por \({{{\mathrm{PU}}}}_{ 0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy aumentó en un 1225%. Además, como se muestra en la Fig. 6g, la resistencia eléctrica de la tela compuesta por \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}} }}\) @PPy mostró poca dependencia de la deformación por torsión en comparación con el tejido compuesto por \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}} }}}\) @PPy. El movimiento del cuerpo humano es complejo y a menudo resulta en múltiples deformaciones de los dispositivos portátiles. Por lo tanto, diseñamos un dispositivo que puede generar simultáneamente múltiples deformaciones, como estiramiento, flexión y torsión, para simular las deformaciones complejas durante el movimiento real del cuerpo humano (video complementario 6). La resistencia del tejido bajo prueba exhibió cambios periódicos en función de la carga y descarga periódica de las deformaciones complejas (Fig. 6h). Bajo diferentes frecuencias y deformaciones, la resistencia del tejido compuesto por \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy reveló pocos cambios en comparación con el tejido compuesto por \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy . Estos resultados ilustran que el tejido compuesto por \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy puede cumplir con los desafío del complejo movimiento del cuerpo humano.

Imágenes ópticas de una máquina de telar con pinzas, b tejido con multifilamento conductor obtenido al tejer, c máquina de tejer circular y d tejido con multifilamento conductor obtenido al tejer. La barra de escala es de 0,5 mm. Cambios de resistencia de la tela durante el estiramiento, el estallido y la torsión. h Cambios dinámicos de resistencia del tejido bajo múltiples deformaciones. Aplicación de la tela como electrónica elástica durante i, j flexión del brazo y k, l caminar.

Además, integramos las fibras conductoras multifilamento en coderas y rodilleras comerciales mediante bordado, para verificar si la estabilidad eléctrica es confiable bajo grandes deformaciones en movimientos humanos reales. Los cambios en tiempo real de R/R0 de la codera (Fig. 6i) equipada con el \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D }}}}}\) @PPy o el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy son se muestra en la Fig. 6j. El cambio del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pad fue insignificante mientras que el del \ ({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) La almohadilla @PPy mostró una buena linealidad y repetibilidad bajo la flexión periódica del codo. Casi no hubo cambios en el brillo de la luz LED en el recuadro de la Fig. 6j, lo que confirma la conductividad insensible a la tensión de las coderas equipadas con \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% } ^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. En comparación con el codo, la rodilla sufrió una mayor tensión durante el ejercicio, lo que resultó en cambios obvios en la resistencia (Fig. 6k). A pesar de esto, las rodilleras equipadas con el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy todavía mostraron un comportamiento insensible sobresaliente; y las luces LED también mostraron un brillo constantemente visible durante el ejercicio (Fig. 6l y Video complementario 7). Por lo tanto, el multifilamento conductor de PU con la estructura de pandeo de PPy en paralelo es un fuerte candidato para construir circuitos electrónicos en tejidos electrónicos estirables y portátiles.

En resumen, diseñamos y producimos un multifilamento de PU conductor con la estructura de pandeo de PPy en paralelo mediante un método de preestiramiento y polimerización in situ. El pretratamiento del multifilamento de PU con PDA mejoró la humectabilidad de modo que el PPy pudo polimerizarse uniformemente en la superficie de los monofilamentos. La liberación del preestiramiento después de la polimerización generó una estructura de PPy de pandeo paralelo. Además, la adición de NaSSA al PPy puede mejorar la capacidad de estiramiento. El multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy altamente estirable exhibió una alta conductividad inicial (238,0 S m−1), un diámetro pequeño (0,21 mm), un valor Q alto (10,9) con una deformación del 200% y una alta reversibilidad en la respuesta eléctrica en un amplio rango de deformación hasta un 900% de deformación (Q = 2,6). Además, el multifilamento se puede integrar fácilmente en textiles inteligentes a través de las tecnologías textiles existentes y mantener su comportamiento altamente insensible a la tensión durante el movimiento robusto del cuerpo humano. Por lo tanto, este multifilamento conductor muestra un gran potencial en dispositivos eléctricos portátiles.

Este estudio no generó nuevos reactivos únicos. Los multifilamentos de PU (40D, 140D, 210D, 420D, 840D) se adquirieron en Jiaxing Xinhai Textile Co., Ltd. (Zhejiang, China). El pirrol (Py, 98+%, Alfa Aesar) se adquirió de Shanghai Yishi Chemical Co., Ltd. (Shanghai, China). Py se destiló dos veces a presión reducida y se almacenó a 4 °C en la oscuridad antes de su uso. El tricloruro de hierro hexahidratado (FeCl3·6H2O), etanol anhidro, tris(hidroximetil)metilaminometano (>99%), ciclohexano y ácido clorhídrico (HCl, químicamente puro) se obtuvieron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). . Wendong (Shanghai) Chemical Co., Ltd. (Shanghai, China) proporcionó el sulfosalicilato de sodio (NaSSA, Rhawn) y la dopamina (DA, Sigma). Todos los productos químicos eran reactivos analíticos y se utilizaron sin purificación adicional a menos que se indique lo contrario.

Aproximadamente un metro del multifilamento de PU estirado (0%, 50%, 100%, 200% o 300%) se sumergió en una solución de DA (2 mg ml-1, tampón Tris-HCl 50 mM y pH 8,5). durante 5 min en ultrasonidos y luego reaccionó durante 8 h. Después del lavado, se colocó en un plato (diámetro: 90 mm) que contenía una solución acuosa de FeCl3 · 6H2O (0,36 M) y NaSSA (0,36 M) (20 ml) y luego se congeló a -20 °C. Después, se transfirió ciclohexano (19,5 ml) que contenía Py (0,5 ml) a la parte superior de la solución anterior. La polimerización in situ se mantuvo durante diferentes tiempos (6 h, 12 h, 18 h, 24 h o 36 h) a 2 °C. Al final de la polimerización, el multifilamento PU@PPy se lavó varias veces con etanol anhidro y luego con agua desionizada, seguido de lavado ultrasónico en agua durante 5 min. Finalmente, se liberó la tensión del multifilamento de PU para formar el PU@PPy con una estructura de pandeo. El filamento se secó a temperatura ambiente.

Las telas tejidas con filamentos de PET como urdimbre, PU y \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy como trama fueron fabricadas con un estoque telar (ASL2300, Suzhou Shuohai Electromechanical Technology Co., Ltd., Suzhou, China). Se fabricaron tejidos de punto hechos de PU y filamentos \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy mediante una máquina de tejer circular (Biomedical Textiles Laboratorio, Universidad Donghua, Shanghai, China). La tela bordada se realiza cosiendo a mano el filamento \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sobre un tejido de punto.

La morfología de las muestras se observó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, Hitachi SU8010, Tokio, Japón) a un voltaje de aceleración de 5 kV. Antes de la observación, las muestras se recubrieron con oro (Hitachi Ion Sputter MC1000, Tokio, Japón). La sección transversal del multifilamento se obtuvo rompiéndolo en nitrógeno líquido. Se utilizó además un microscopio de fuerza atómica (AFM, 5500AFM-SPM, Agilent, California, EE. UU.) para analizar los multifilamentos inmovilizando la muestra en un portaobjetos de vidrio con cinta adhesiva de doble cara. Las pruebas de tracción in situ se realizaron utilizando el Phenom XL equipado con un soporte de tracción (Phenom XL, Phenom-Scientific, Shanghai, China).

La apariencia macroscópica del tejido se obtuvo mediante un microscopio estereoscópico (Nikon SMZ745T, Tokio, Japón). Se utilizó un espectrómetro de infrarrojo cercano por transformada de Fourier (FT-NIR, Antaris II, Thermofisher, Waltham, EE. UU.) en modo de reflexión total atenuada (ATR) para caracterizar la composición química de las muestras. La composición química de la superficie de las muestras se investigó mediante un espectrómetro fotoelectrónico de rayos X (XPS, Escalab250xi, Thermofisher, Waltham, EE. UU.) con radiación Al Kα (λ = 8,34 Å) como fuente de excitación. Los espectros Raman se recogieron con un microespectrómetro Raman (inVia-Reflex, Renishaw, Gloucestershire, Reino Unido) equipado con un láser He-Ne+ que emite a 633 nm.

Las propiedades mecánicas de las películas de PPy con un ancho de 5 mm se probaron utilizando un probador de resistencia de fibra única (YG-001, Wenzhou Fangyuan Instrument Co., Ltd., Wenzhou, China) a una longitud de calibre de 10 mm y 10 mm min-1. velocidad de la cruceta. Según la teoría de la viga en voladizo, se extendieron 20 mm de una película de PPy de 30 mm de largo fuera del borde de una mesa para formar una viga en voladizo. Se midió el ángulo formado entre la película suspendida y la superficie de la mesa para evaluar la flexibilidad de las películas de PPy. Las propiedades de tracción del multifilamento se investigaron utilizando un probador de resistencia de fibra única (LLY-06E, Laizhou Electron Instrument Co., Ltd., Laizhou, China) con un calibre de 5 mm de longitud y una velocidad de deformación de 50 mm min-1. Se fijaron láminas rugosas de silicona en ambos extremos de los filamentos para evitar el deslizamiento durante la prueba. El estiramiento cíclico del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy se probó mediante un probador elástico de spandex (XN-1A). , Shanghai New Fiber Instrument Co., Ltd., Shanghai, China) a una distancia de 50 mm y una velocidad de 100 mm min-1. El diámetro de los filamentos se midió con un medidor de espesor de látex (CH-12.7-BTSX, Shanghai Liuling Instrument Factory, Shanghai, China). Todas las pruebas se realizaron en condiciones ambientales estándar (20 ± 1 °C, HR 65 % ± 2 %) y se analizaron al menos tres muestras para cada muestra.

Para la prueba de termoestabilidad, se calentaron aproximadamente 3 mg de muestras de 50 a 800 °C a una velocidad de calentamiento de 20 °C min-1 bajo una atmósfera de nitrógeno utilizando un analizador termogravimétrico (TGA8000, Thermofisher, Waltham, EE. UU.).

Para caracterizar la lavabilidad del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy, se agitaron muestras de 15 cm de longitud. agua (40 °C) con una velocidad de 800 r min-1 durante 20 min y luego se secó a 60 °C.

Para controlar el cambio de resistencia durante la deformación, los dos extremos del filamento conductor o del tejido conductor se conectaron a una cinta de cobre conductora con la ayuda de una lámina de silicona rugosa. Luego, la cinta de cobre conductora se conectó a una unidad medidora fuente (Keithley 2450, Tektronix, Cleveland, EE. UU.) para monitorear el cambio de la resistencia durante la deformación. Este trabajo no trata sobre individuos vivos y no incluye la recopilación de información privada identificable individualmente, por lo tanto, la aprobación de la Junta de Revisión Institucional no fue un requisito previo. Y hemos obtenido el consentimiento informado de todos los participantes.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen el apoyo de la Fundación de Ciencias Naturales de Shanghai (Subvención No. 21ZR1401300), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52005097), los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (2232022A-05), el Fondo de Investigación Fundamental Fondos para el Fondo de Innovación para Estudiantes de Posgrado y Universidades Centrales de la Universidad de Donghua (CUSF-DH-D-2021022), el Proyecto 111 (Subvención No. BP0719035) y los Fondos de Investigación Fundamental para el Programa de Profesores Jóvenes Distinguidos de DHU. Se agradeció enormemente la asistencia técnica de Jing Lin, Bingjun Rao, Zhengwei Wang y Xiaoning Guan.

Laboratorio clave de ciencia y tecnología textil del Ministerio de Educación y Facultad de Textiles, Universidad Donghua, Shanghai, 201620, China

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

Laboratorio clave de la industria textil para materiales y tecnología textiles biomédicos, Universidad Donghua, Shanghai, 201620, China

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

Departamento de Cirugía, Facultad de Medicina, Universidad Laval; Eje de medicina regenerativa, Centro de Investigación del CHU de Québec - Université Laval, Québec (QC), G1V 0A6, Canadá

ella zhang

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LY y MJ concibieron el proyecto; LY, GY, Wei L. y SM llevaron a cabo la preparación y medición de fibras estirables; LY, LL, ZQ, GL y WF ayudaron en el análisis de resultados; MJ y Wang L. supervisaron el proyecto; LY escribió el artículo con el apoyo de MJ y ZZ. Todos los autores contribuyeron a la discusión general.

Correspondencia a Jifu Mao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, Y., Gao, Y., Lan, L. et al. Multifilamento conductor ultraelástico y portátil gracias a una estructura de polipirrol abrochada en paralelo. npj Flex Electron 6, 42 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00176-6

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Recibido: 10 de enero de 2022

Aceptado: 19 de mayo de 2022

Publicado: 08 de junio de 2022

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

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