【背景简介】
织物具有质轻、柔软、透气等优点，是柔性可穿戴电子器件理想的集成平台，但是其固有的多毛羽、多孔洞，易形变等特性使得在其表面构建电子器件面临如下诸多挑战：（1）如何克服多孔粗糙表面，实现高导电、高精度、耐拉伸电极电路的制备？（2）如何在保证电学功能的前提下最大限度保留织物轻柔透气特性？（3）如何实现可水洗，耐揉搓等高耐久性。
【成果简介】
针对以上问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所袁伟等人在前期的工作基础上（ ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 24074-24085，J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 16798-16807，ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 1747-1757，Adv. Electron. Mater. 2021, 2100611，Nano Res. 2022, 15(5): 4590-4598），借鉴传统服装行业中的烫印技术，提出利用激光刻蚀结合热转印工艺开发了一种普适的织物电极制备方法。在织物衬底未做任何处理的前提下，实现电极分辨率40 μm，电导率达到5.48×10 4 S/cm，粘附力大于1750 N/m，拉伸应变大于50%。并且按照现有纺织品洗涤（ISO 105-C10:2006）和摩擦（ISO 12927-2:2016）测试标准对织物电极进行了耐久性评估，结果展示了非常优异的耐洗涤、耐摩擦和耐热湿特性。此外，作者还展示了集成到服装表面的RFID标签和柔性加热线圈，实现无线远程通讯和均匀的电加热功能演示。这种普适的织物电极加工技术的开发将进一步促进织物电子工程化的发展。相关工作以：“ Durability Study of Thermal Transfer Printed Textile Electrodes for Wearable Electronic Applications”为题发表在《 ACS Applied Materials & Interfaces》上（2022 14 (25), 29144-29155）。
【织物电极制备流程】
织物电极制备流程如下：（1）在离型膜表面分别刮涂复合导电层和热熔胶层；（2）利用激光雕刻技术进行图案化处理；（3）热转印到织物表面。在热压作用下热熔胶能够渗透到织物孔洞中，包裹住纱线形成物理的锚定效应，使得导电层跟织物衬底之间具有高的粘附力，实现优异的机械性能。
图1：织物电极的制备流程。
【复合电极的形貌表征】
选择了两种具有不同熔点的TPU分别作为复合导电层的树脂材料（熔点~166℃）和跟织物结合的热熔胶材料（熔点~100-120℃），使得在热压过程中即满足热熔胶的熔融渗透又不会对复合导电膜产生破坏。织物电极的截面清晰展示了热熔胶渗透到织物孔洞并且包裹纱线形成的锚定结构。热转印制备的大尺寸织物电极具有优异的方块电阻均一性。
图2：复合电极表面形貌和方阻分布情况
【织物电极的剥离强度测试】
这种织物电极的制备方法具有普适性，不受织物衬底材料和结构的影响。每种织物电极的剥离强度大于1750 N/m。
图3：不同织物电极剥离强度测试
【织物电极耐久性表征】
按照现有纺织品洗涤（ISO 105-C10:2006）和磨损（ISO 12927-2:2016）测试标准对制备的织物电极耐久性进行了系统评估。10000次摩擦循环后方块电阻仅增加3倍，洗涤-烘干50次循环后织物电极仍能保持5.52 × 10 3 S/cm的导电性，连续100小时的双85高温高湿测试，织物电极导电性几乎不受影响。数据表明织物电极具有优异的耐久性，基本满足实用化需求。
图4：织物电极耐久性测试
【织物电极拉伸性分析】
织物电极可实现100%的拉伸幅度，50%应变下电阻仅仅增加2.85倍，拉伸幅度满足日常穿戴需求。
图5：织物电极拉伸电学测试
【织物电极图形分辨率及DIY展示】
通过调节激光雕刻工艺，线宽精度最高可达40 μm。可实现各种不同图案的织物电极或线路排布。同时，该方法简单灵活，可DIY制造。
图6：织物电极分辨率和DIY制备
【织物电极的应用研究】
展示了各种纺织品表面集成的RFID器件及远距离无线通讯演示和大尺寸电加热应用。
图7：可穿戴天线和电加热应用展示
【总结】
研究者提出了一种基于激光雕刻结合热转印的织物电极的普适制备方法。该方法不受织物材料和结构的限制，实现电极分辨率40 μm，电导率达到5.48×10 4 S/cm，粘附力大于1750 N/m，拉伸应变大于50%，并且织物电极具有优异的耐洗涤、耐摩擦和耐热湿特性。这种普适的织物电极加工技术的开发将进一步促进织物电子工程化的发展。
中科院苏州纳米所博士后丁晨和硕士研究生王佳仪为本工作共同第一作者，通讯作者为中科院苏州纳米所袁伟博士，苏文明研究员和崔铮研究员，本工作中的织物电极标准化测试得到苏州纤维检验院周小进教授级高工，朱国庆高工和江苏省纺检院李杰高工的大力帮助。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c03807
来源：高分子科学前沿
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