Multifilamento conductor ultraelástico y portátil gracias a la estructura de polipirrol doblado en paralelo

npj Flexible Electronics volumen 6, Número de artículo: 42 (2022) Citar este artículo

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Las fibras conductoras estirables han atraído mucha atención debido a su uso potencial en la electrónica portátil. Sin embargo, la conductividad insensible a la deformación ultra alta se ve obstaculizada por el 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 que están recubiertos en la superficie con polipirrol (PPy) enrollado, cuya flexibilidad se mejora con sulfosalicilato de sodio. Dichos monofilamentos conductores paralelos con pandeo de PPy en la superficie reducen la influencia de las grietas en el revestimiento conductor en la conductividad general, mostrando un comportamiento insensible a la deformación 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 con la gran deformación de la articulación humana. Este multifilamento con PPy arrugado tiene atractivas ventajas en la aplicación de dispositivos electrónicos portátiles súper estirados.

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 de las comunidades industriales como de la investigación. El crecimiento de alta velocidad 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 que incluyen la estructura de bobina helicoidal10,11, la estructura de "resorte trenzado"12, la estructura en capas13 y la estructura abrochada8,14 para fabricar el circuito electrónico estirable hacia el diseño de fibras e hilos multifuncionales. La estrategia más utilizada se basa en las construcciones geométricas basadas en los principios de los resortes en espiral, lo que permite una electrónica extensible de alto rendimiento10,11. A pesar de la efectividad 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, impulsaron la búsqueda de otras estrategias alternativas15. Los compuestos fibrosos conductores con una estructura de capas en espiral formadas al enrollar las películas solo proporcionan una solución insatisfactoria por su bajo comportamiento insensible a la deformación (factor de calidad Q = 0,57 al 356%)13. Por lo tanto, un circuito electrónico estirable basado en fibra con una fácil integración y un alto comportamiento insensible a la tensión sigue siendo extremadamente deseable para los textiles electrónicos portátiles.

Las estructuras de pandeo se han utilizado 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 las estructuras dobladas, por ejemplo, rizadas, onduladas y arrugadas, en la superficie del sustrato elástico, lo que garantiza la capacidad de estiramiento del circuito basado en fibra conductora17. Por ejemplo, se preparó un multifilamento conductor con forma de gusano estirando primero un núcleo de multifilamento de poliuretano (PU) y luego recubriéndolo con una capa de grafeno8. Tal estructura permitió un cambio resistente insignificante (alrededor de 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 los sensores18,19 pero no deseable para los circuitos electrónicos estirables. Además, aunque se ha demostrado que la estructura pandeada es capaz de aliviar eficazmente el desajuste mecánico entre los elementos conductores y el sustrato, siempre se requiere una interacción interfacial alta para mejorar el rendimiento del ciclo17. Por lo 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 la pulverización y el recubrimiento por inmersión. Se informó el daño y la desunión en la interfase durante el estiramiento, mostrando 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 los polímeros conductores y los 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 una 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 de fractura y la resistencia a la tracción entre PPy y un sustrato elastomérico todavía existe a pesar de que todos son polímeros. En consecuencia, un recubrimiento de PPy flexible (es decir, 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 que se recubrieron en la superficie con PPy doblado a través de un método simple de polimerización in situ. Dichos monofilamentos conductores paralelos con pandeo de PPy en la superficie redujeron la influencia de las grietas en el revestimiento conductor en la conductividad general, mostrando un excelente comportamiento insensible a la deformación ultraalta. Tenga en cuenta que la flexibilidad de PPy se 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 notable rendimiento insensible a la tensión (Q = 10,9). Incluso con una tensión de tracción del 900 %, mantuvo una conductividad eléctrica estable (el cambio de resistividad relativa fue de solo 3,5) y una capacidad de recuperación. Más importante aún, esta fibra conductora se puede integrar fácilmente en la tela al tejer, tejer o bordar. Este multifilamento de PU integrable, altamente estirable, ultrafino y altamente conductivo es altamente competitivo para los textiles portátiles inteligentes.

El tejido muscular, el principal contribuyente a un 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 requerimiento, sin duda, las fibras más finas ofrecerán indudables posibilidades para integrarse en los compactos y sofisticados textiles electrónicos. De manera similar a los haces de fibras musculares, el multifilamento de PU conductor estaba hecho de múltiples monofilamentos paralelos con el PPy doblado en la superficie, con el proceso de fabricación detallado ilustrado en la Fig. 1b. \({{{\mathrm{PU}}}}_y^x\) @PPy indica que el multifilamento de PU era x denier (D, un denier tiene una densidad lineal de un gramo de masa por 9000 m de fibra) y el PPy el revestimiento 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 a través de una polimerización en solución mejorada con recubrimiento de DA. Se adoptó un método mejorado de polimerización in situ 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 una estructura de este tipo la que le da al multifilamento una conductividad estable bajo alta tensión. Por lo tanto, el brillo del LED apenas cambió entre 0% y 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.º 1, lo que sugiere que puede fabricarse para 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 elongaciones del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy . 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 multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy cuando solo se usó FeCl3 como dopante (Fig. 1 complementaria). En este trabajo, además de disminuir el módulo aparente de la capa de PPy por diseño estructural, se utilizó NaSSA como plastificante para mejorar también 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 apoyo) para determinar si la incorporación de NaSSA realmente mejoró la propiedad mecánica. Como se muestra en la figura complementaria 2a-c, el alargamiento de rotura de las películas de PPy con Cl−/SSA− como dopante (\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}} /{\mathrm{NaSSA}}}\)) fue del 8,58 %, mucho más alto que el (3,81 %) de la película de PPy con Cl− como dopante (\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm {FeCl}}_{{3}}}\)). Un ángulo de flexión mayor (51,20°) de la película \({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\) se demostró aún más mediante el método voladizo, lo que confirma que la flexibilidad de la película de PPy fue mejorada por NaSSA (Fig. 2d complementaria). 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 nitrógeno líquido (Fig. 2b y Video complementario 1). Anteriormente informamos sobre las membranas prístinas de PPy que son tan blandas en nitrógeno líquido como a temperatura ambiente y también discutimos este interesante fenómeno26,27. En este trabajo, también se creía que las propiedades intrínsecas eran la causa de la flexibilidad tanto de las películas de PPy como de los recubrimientos de PPy. Además, es contradictorio que los polímeros conductores tengan tanto una alta conductividad como una alta flexibilidad28. De manera emocionante, NaSSA podría mejorar no solo la flexibilidad de 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 emplear NaSSA como dopante.

a Películas de PPy dobladas a temperatura ambiente. b Películas de PPy onduladas en nitrógeno líquido. c Espectros XPS de escaneo completo; Espectros de alta resolución de d N1s 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 transversales. La barra de escala es: 50 μm, inserción 5 μm. h Imagen AFM del \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy con tratamiento PDA.

Para explicar mejor el papel de NaSSA en la mejora de la conductividad y la flexibilidad de PPy, los análisis químicos se exploraron utilizando XPS y espectro Raman. El elemento azufre (S) se observó 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 (21,55 %) en la muestra sin dopar con 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 (Fig. 3 complementaria) muestra las bandas principales de PPy en 1576 cm−1 (estiramiento C = C), 1374 y 1327 cm−1 (dos bandas de estiramiento anular), 1238 cm−1 (estiramiento C–H antisimétrico en flexión plana), 1084 y 930 cm−1 (la estructura bipolaron), y 1046 y 963 cm−1 (la estructura polaron)25. Las proporciones entre las absorciones de bipolaron (1084 y 930 cm−1) y polaron (1046 y 963 cm−1) se utilizaron para estimar el grado de dopaje y estas proporciones se informan en la Tabla complementaria 129. Mayores proporciones de bipolaron/polaron de la PU @PPy preparado con NaSSA como dopante se consideró como una evidencia que explica que el dopante NaSSA también mejoró la conductividad de PPy. Se ha informado que los aniones de sulfonato y sulfonimida tienen un efecto de detección de carga que debilita las interacciones entre los polímeros28. Lo que es particularmente importante es que el dopaje de d-sorbitol podría debilitar las interacciones entre las cadenas de polímeros 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 así facilitaron el movimiento de las cadenas moleculares que conducen 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 de PDA en la estructura de pandeo, la morfología de la \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\ ) Se observó multifilamento @PPy con o sin tratamiento con PDA (Fig. 2f-h y Fig. 4a-c complementaria). 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. 4a complementaria), lo que indica que el uso de PDA evitó que el PPy se agrietara. Esto se debió a que el recubrimiento de PDA aumentó la deposición de PPy31, lo que dio como resultado un recubrimiento de PPy grueso que era más resistente a la expansión circunferencial cuando se liberaba el filamento. De hecho, el grosor 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 (Fig. 4b y Fig. 2g complementarias). 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 grosor del revestimiento 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 doblado, en contraste con el recubrimiento de PPy incompleto en los monofilamentos no modificados (Fig. 2g y Fig. 4b complementaria). Esta es una estructura fascinante que rara vez se había observado y reportado en la literatura hasta ahora.

Para investigar el efecto del tiempo de polimerización en la forma del pandeo, se polimerizó PPy en \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}} }}}\) @PPy para diferentes tiempos. En comparación con la superficie lisa del multifilamento de PU (Figura complementaria 6a), la superficie de cada monofilamento paralelo dentro del multifilamento de 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 según el pico característico a 993 cm−1 asignado al estiramiento en el plano de =CH (Figura complementaria 7)32. La conductividad más alta (Fig. 8 complementaria) y los pandeos más densos (Fig. 6 complementaria) en el \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{ D}}}}}\) @PPy multifilamento se obtuvieron cuando el tiempo de polimerización fue de 24 h, que se consideró como el tiempo de reacción óptimo.

Para dilucidar los efectos de la estructura de pandeo en 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 tensiones previas al estiramiento (Fig. 9 complementaria). A medida que aumentó 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). El primero se atribuyó al aumento de la probabilidad de nodos débiles a medida que aumenta el número de monofilamentos, y el segundo se relacionó con el aumento del diámetro del multifilamento33. Las propiedades mecánicas de 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 (Figura complementaria 9d-f). También se evaluaron las propiedades de tracción del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy preparado bajo diferentes tensiones previas al estiramiento (Suplementario Figura 9g-i). Aunque el alargamiento del multifilamento disminuyó gradualmente con el aumento de la deformación previa al estiramiento, todos los multifilamentos exhibieron una capacidad de estiramiento extraordinariamente alta (>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 capacidad de recuperación dentro del 100 %. tensión, y una pequeña histéresis dentro del 200% de tensión que es comparable a las de la referencia (Fig. 10a complementaria) 8,34. Después de 100 ciclos de carga y descarga bajo una tensión del 100%, el rendimiento de recuperación del multifilamento apenas se deterioró (Fig. 10b complementaria). La fuerte resistencia y las propiedades altamente elásticas del multifilamento \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy podrían garantizar la disponibilidad para la fabricación de textiles electrónicos portátiles de gran tensión.

La dependencia de la tensión del cambio de resistencia relativa (ΔR/R0) del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy con diferentes cantidades de monofilamento paralelo se evaluó más a fondo para probar 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, del cual la distancia entre las hebillas adyacentes era de aproximadamente 5 μm (Fig. 11a-e complementaria). 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 tensión aumentó aún más, la dependencia de la tensión de ΔR/R0 del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy disminuyó a medida que aumentaba el número de monofilamentos. Esto se debió a que incluso si se rompiera el recubrimiento de PPy en un monofilamento, los recubrimientos de PPy en 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 al ultra. -altas tensiones. Obviamente, esta probabilidad aumentaba a medida que aumentaba el número de monofilamentos. Sin embargo, la electro-respuesta a la tensión del \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fue no se redujo más porque el revestimiento conductor no logró penetrar completamente en el multifilamento grueso de PU, es decir, 840D, confirmado por los filamentos blancos en lugar del revestimiento negro de PPy dentro del \({{{\mathrm{PU}}}}_{ 50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy y expuesto después de su rotura (Fig. 3b).

a Diagrama esquemático de monofilamentos conductores paralelos con revestimiento de PPy de pandeo. b Fotografías ópticas de \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy y \({{{\mathrm {PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy después de romper. 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 tensión. 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 15 μm. f Cambio en la resistencia relativa del multifilamento conductor y el filamento de núcleo-vaina bajo estiramiento. g Mecanismo de trabajo del multifilamento conductor paralelo bajo tensión creciente. h Camino 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), llamados \({{{\mathrm{PU} }}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy, se prepararon como control (consulte la Información de apoyo para obtener más detalles). La Figura 3f ilustra evidentemente que el ΔR/R0 de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@ El multifilamento de PPy fue mucho más alto que el del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy por debajo del 200 % deformación (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 a un nivel bajo (3,50) hasta que la tensión alcanzó el 900 %, mientras que el valor de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{ D}}}}}\) @WPU@PPy aumentó considerablemente a 74,00.

Para explicar mejor la alta insensibilidad a la deformación del conductor PU@PPy, se estableció un modelo para demostrar cómo cambiaba el PPy durante el estiramiento, como se muestra en las Fig. 3g y h. El proceso de estiramiento se puede dividir generalmente en tres etapas. En la primera etapa, cuando la deformación ε < deformación previa al estiramiento 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, la cual se manifiesta por la disminución del espesor y el aumento de la longitud del recubrimiento de PPy. Cuando se tiene en cuenta el efecto de Poisson, la resistencia en esta etapa viene dada por la Ec. (1).

donde γ es la relación de Poisson del revestimiento 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 una 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 estrecha unión entre los monofilamentos bajo la 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 cada resistencia puede considerarse compuesta por múltiples resistencias en paralelo a lo largo de la dirección perpendicular o transversal (el número de resistencias en paralelo es el número de monofilamentos conductores). ). Cuando ocurren grietas en algunas resistencias, su conductividad cae dramáticamente; sin embargo, otras resistencias paralelas a ellas aún mantienen la conductividad. En esta etapa, la resistencia se puede calcular mediante la Ec. (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 (Fig. 12 complementaria). La conductividad eléctrica del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy estirable se calculó además con el volumen del multifilamento asumido como constante durante el estiramiento, como se muestra en la Fig. 4b. Con el incremento en la tensión 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 concuerda 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 tensión de las cadenas de PPy conductoras30. Sorprendentemente, el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy exhibió una amplia gama 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 la ruta conductora adicional bajo tensión ultra alta 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 era similar (Fig. 4a) porque el diminuto espacio libre entre los monofilamentos bajo una alta tensión de tracción hizo que 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 (Fig. 16 complementaria). 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 del 0 % al 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 como resultado de la dificultad de PPy para penetrar en el multifilamento de PU apretado bajo la alta tensión previa al estiramiento (Figura 15 complementaria y Tabla 2 complementaria).

un cambio de resistencia relativa de \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy al aumentar la deformación. 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 previas al estiramiento en moléculas pequeñas (como DA, FeCl3, NaSSA y Py representados 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, la conductividad eléctrica del \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy con diferentes deformaciones previas al estiramiento fue evaluada por la curva IV bajo un voltaje de carga de 5 V (Fig. 17 complementaria). Todos los multifilamentos exhibieron una forma lineal, lo que indica que el multifilamento obedece la ley de Ohm. Y la disminución en 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 de pre-estiramiento.

Se adoptó el factor de calidad Q = (Δl/l0)/(ΔR/R0) 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 informados 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 & e, los datos detallados se pueden encontrar en la Tabla complementaria 3). Como se muestra en la Fig. 4d, el factor Q del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fue de 10,9 con un alargamiento del 200 %, que se encuentra entre los mejores en comparación con la literatura. Luego, el Q se mantuvo en 2,6 hasta un 900 %, lo que demuestra el buen comportamiento insensible a la tensión de este multifilamento conductor bajo tensión ultraelevada. Sorprendentemente, el diámetro del multifilamento es de solo 0,21 mm, mucho más pequeño que 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 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 pandea en la superficie \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) la superficie @PPy se expandió gradualmente a medida que se estiraba (Suplementario Video 3), mientras que el revestimiento de PPy en la superficie \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy comenzó para agrietarse con una tensión de aproximadamente el 45% (Video complementario 2). Para observar las tres etapas de cambio en el recubrimiento de PPy, un \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @ estirado PPy (deformación entre 150% y 200%) se mantuvo en la mesa de estiramiento de tracción SEM in situ. El video 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. El γ en la Ec. (2) para el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy se obtuvo del video 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 ajustó 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 pandeo.

La reversibilidad es un parámetro muy importante para los textiles electrónicos portátiles. La Figura 5a–d muestra las curvas IV del \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy en diferentes alargamientos Con un alargamiento del 200 %, la pendiente de la curva IV era ligeramente menos pronunciada que con un alargamiento del 0 % (Fig. 5a), y la lámpara LED unida al filamento permaneció muy brillante (Recuadro de la Fig. 5a). Cuando el alargamiento alcanzó el 500%, la resistencia del filamento aumentó aproximadamente el 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 usar de manera confiable como conductor estirable bajo tensiones muy grandes. Después de la recuperación, la resistencia del filamento solo aumentó en un 15 % (Fig. 5d), debido al PPy roto. La Figura 5e presenta el cambio periódico de resistencia en 1500 ciclos de estiramiento-recuperación con cambio de tensión de 0% a 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, con una duración de 34 minutos, incluye cuatro pasos de lavado tibio, enjuague, escurrido y secado42. Simulamos este proceso utilizando un método similar a la prueba de lavado de solidez del color (GB/T 3921-2008). Para simplificar, el paso de aclarado se reemplazó por un paso de lavado en caliente más intenso y se omitió el paso de escurrido, que dañaba poco las fibras. Durante una prueba de lavado simulado, por lo tanto, 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 aumentaba el número de lavados, la conductividad disminuía gradualmente debido al proceso de desdopaje de PPy;43 sin embargo, la conductividad seguía siendo 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 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @ 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 de brillo del LED (Fig. 5f y Video complementario 5).

a–d Las curvas IV de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a diferentes deformaciones (200 %, 500%, 900% y recuperación). e La prueba de carga y descarga cíclica de 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 de doble deformación por flexión (rosa) y estiramiento (púrpura) para el movimiento del cuerpo humano. g Instrumento de estiramiento-doblado del filamento. h Cambio de resistencia en tiempo real del filamento durante un proceso de estiramiento-doblado.

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. La integración de varias fibras en una hebra doblando y torciendo, o la integración de muchas fibras en una tela mediante el tejido, tejido y bordado es casi un paso esencial en el proceso de formación de textiles. Esto es equivalente a conectar varios conductores en paralelo, lo que da como resultado una resistencia general más baja. Aunque poner en paralelo las resistencias es una forma efectiva de mejorar la conductividad del circuito, inevitablemente resulta en un aumento de tamaño. Beneficiándose del pequeño diámetro del multifilamento conductor en este trabajo, los hilos aún podrían cumplir con los requisitos de integración de la electrónica sofisticada y compacta después del paralelo. Tomando como ejemplo la integración de varias fibras en una hebra mediante doblado y torsión, suponiendo que la sección transversal de la fibra es circular e ignorando la deformación por extrusión entre fibras, de acuerdo con la teoría de empaquetamiento más cercana, la resistencia de la hebra obtenida mediante torsión 7 fibras se reduce por un factor de 7, mientras que el diámetro sólo aumenta por un factor de tres. Para probar nuestra hipótesis, se fabricó una hebra formada por la torsión de 7 multifilamentos conductores. El diámetro de las fibras conductoras era de aproximadamente 0,65 mm (Fig. 19a complementaria) 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 aplicación potencial en circuitos portátiles, se diseñó un sistema de LED con hilos formados al torcer 16 multifilamentos conductores como un circuito. Se pudo observar visualmente que los LED estaban encendidos a 3 V (Fig. 19c complementaria), lo que indica una pérdida de energía insignificante en el circuito.

De manera similar, la integración de muchas fibras en una tela mediante tejido, tejido y bordado es una forma efectiva de mejorar la conductividad del circuito. Para demostrar la viabilidad de preparar textiles electrónicos compactos y sofisticados, tejidos fabricados con el multifilamento conductor mediante tejido, tejido y bordado, respectivamente (Fig. 6a-d y Fig. 20 complementaria). El telar de pinzas y las máquinas de tejer circulares utilizadas se muestran en las Fig. 6a y c. Diferentes rutas de fibra (bucles o líneas rectas, Fig. 6b y d) y arreglos de fibra (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 a través de la tecnología textil. Las telas de ligamento tafetán con \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy o \({{{ \mathrm{PU}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy como las tramas se usaron para evaluar la funcionalidad del multifilamento conductor después de tejer (Fig. 6a y b) porque el tejido con tecnologías de formación de textiles provoca la mayor abrasión en el revestimiento de PPy. La Fig. 21 complementaria muestra que la resistencia inicial de la tela 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 usan 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 más baja 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 deformación del multifilamento conductor original. El proceso de estallido, es decir, la aplicación de una tensión vertical a la tela, no puede ignorarse en el caso de los textiles inteligentes. Se diseñó un dispositivo para aplicar la tensión vertical y el cambio en la resistencia de la tela durante el proceso de ruptura se muestra en la Fig. 6f. 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 un 1225%. Además, como se muestra en la Fig. 6g, la resistencia eléctrica del tejido compuesto 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, da como resultado 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 las cargas y descargas periódicas 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 la estructura compuesta por el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy puede cumplir con el desafío del complejo movimiento del cuerpo humano.

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

Además, integramos las fibras multifilamento conductoras en coderas y rodilleras comerciales a través del 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 \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy son se muestra en la Fig. 6j. El cambio de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pad fue insignificante mientras que el de \ ({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pad 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 evidentes en la resistencia (Fig. 6k). A pesar de esto, las rodilleras equipadas con el \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy aún mostraban una sobresaliente comportamiento insensible; y las luces LED también mostraron un brillo constantemente visible durante el ejercicio (Fig. 6l y Video Suplementario 7). Por lo tanto, el multifilamento de PU conductor con la estructura de pandeo de PPy en paralelo es un fuerte candidato para construir circuitos electrónicos en tejidos electrónicos portátiles y estirables.

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 para que el PPy pudiera polimerizarse uniformemente en la superficie de los monofilamentos. La liberación del estiramiento previo después de la polimerización generó una estructura de PPy de pandeo paralelo. Además, la adición de NaSSA en 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) al 200 % de deformación y una alta reversibilidad en la respuesta eléctrica en un amplio rango de deformación hasta el 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 de alta resistencia 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 de 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. Tricloruro de hierro hexahidratado (FeCl3·6H2O), etanol anhidro, tris(hidroximetil)metilaminometano (>99 %), ciclohexano, ácido clorhídrico (HCl, químicamente puro) se obtuvieron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China) . El sulfosalicilato de sodio (NaSSA, Rhawn) y la dopamina (DA, Sigma) fueron proporcionados por Wendong (Shanghai) Chemical Co., Ltd. (Shanghai, China). Todos los productos químicos eran reactivos analíticos y se usaron 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 ultrasonido y luego se hizo reaccionar durante 8 h. Después del lavado, se colocó en un plato (diámetro: 90 mm) que contenía una solución de agua 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 un 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 Electro Mechanical Technology Co., Ltd., Suzhou, China). Los tejidos de punto hechos de filamentos de PU y \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy fueron fabricados por una máquina de tejido circular (Biomedical Textiles Lab, Universidad de Donghua, Shanghái, China). El tejido de bordado se realiza cosiendo a mano el filamento \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy en 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 usó 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. La prueba de tracción in situ se realizó utilizando el Phenom XL equipado con un soporte de tracción (Phenom XL, Phenom-Scientific, Shanghái, China).

La apariencia macroscópica de la tela se obtuvo mediante un microscopio estereoscópico (Nikon SMZ745T, Tokio, Japón). Se utilizó un espectrómetro de infrarrojo cercano con 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 superficial de las muestras se investigó con un espectrómetro de fotoelectrones 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 con un probador de resistencia de fibra única (YG-001, Wenzhou Fangyuan Instrument Co., Ltd., Wenzhou, China) con una longitud de calibre de 10 mm y 10 mm min-1. velocidad de la cruceta. De acuerdo con 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 una longitud de calibre de 5 mm 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 fue probado por un probador elástico 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 especímenes 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 en 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 en agua (40 °C) con una velocidad de 800 r min−1 durante 20 min y luego se seca a 60 °C.

Para monitorear el cambio en la resistencia durante la deformación, los dos extremos del filamento conductor o la tela conductora se conectaron a una cinta conductora de cobre con la ayuda de una lámina rugosa de silicona. Luego, la cinta de cobre conductora se conectó a una unidad medidora de fuente (Keithley 2450, Tektronix, Cleveland, EE. UU.) para monitorear el cambio de la resistencia durante la deformación. Este trabajo no se trata de personas vivas 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 a pedido 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), la Fundación de Investigación Fundamental Fondos para las Universidades Centrales y el Fondo de Innovación para Estudiantes de Posgrado 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. La asistencia técnica de Jing Lin, Bingjun Rao, Zhengwei Wang y Xiaoning Guan fue muy apreciada.

Laboratorio clave de ciencia y tecnología textil del Ministerio de Educación y Facultad de Textiles, Universidad de Donghua, Shanghái, 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 tecnología y materiales textiles biomédicos, Universidad de Donghua, Shanghái, 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, Université Laval; Eje de Medicina Regenerativa, Centro de Investigación CHU de Québec - Universidad Laval, Quebec (QC), G1V 0A6, Canadá

Zé 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 ultraestirable y portátil habilitado por una estructura de polipirrol doblado en paralelo. npj Flex Electron 6, 42 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00176-6

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Recibido: 10 enero 2022

Aceptado: 19 de mayo de 2022

Publicado: 08 junio 2022

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

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