有机导电纤维及其在柔性传感器中的应用

随着可穿戴电子、物联网和人机交互技术的飞速发展，市场对兼具优异电学性能和卓越机械柔韧性的传感材料的需求日益迫切。有机导电纤维（Organic Conductive Fibers, OCFs）因其固有的柔性、轻质、可调节的理化性质以及良好的生物相容性，已成为构建下一代柔性传感器的核心材料之一。

本文旨在系统性地综述有机导电纤维的合成方法、性能优化策略，并重点分析其在柔性传感器领域的应用、关键性能指标及前沿研究进展。报告还将探讨该领域面临的商业化挑战，并展望未来的发展方向。

1. 引言：有机导电纤维的崛起

有机导电纤维是一种将高分子材料的柔韧性和导电材料的功能性相结合的新型功能纤维。与传统的金属或碳基导电材料相比，有机导电纤维在可拉伸性、可编织性、生物相容性和加工多样性方面展现出独特优势，使其在智能纺织品、可穿戴生物医疗设备、软体机器人和柔性显示等前沿领域具有广阔的应用前景。

本文将首先深入剖析有机导电纤维的核心概念与分类。其次，详细梳理其主流的合成制备方法，并探讨如何通过掺杂和结构设计等策略协同提升其电导率与机械柔韧性。随后，将重点聚焦有机导电纤维在各类柔性传感器（尤其是应变和压力传感器）中的应用，并基于近三年的前沿研究，量化分析其关键性能指标。最后，本文将评估该技术从实验室走向市场的商业化挑战，并对未来的研究趋势进行展望。

2. 有机导电纤维的核心概念与主要类型

从材料构成上，有机导电纤维可分为两大类：本征导电聚合物纤维和复合型导电纤维。

2.1 本征导电聚合物（ICP）纤维

本征导电聚合物，如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）及其衍生物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS），是这类纤维的核心。这些聚合物具有共轭的π电子骨架，在未掺杂状态下为半导体或绝缘体。通过化学或电化学掺杂（Doping），在其分子链上引入电荷载流子（空穴或电子），使其电导率发生几个数量级的跃升，从而转变为导电状态。

这类纤维的优点是导电性源于材料本征结构，导电均匀性好，但其机械性能（如强度和韧性）往往较差，且加工性有待提高。

2.2 复合型导电纤维

复合型导电纤维是通过将导电填料与绝缘的高分子基体（如聚氨酯、聚酯、尼龙等）结合制备而成。这种方法策略灵活，能够更好地平衡材料的导电性与机械性能。根据制备方式的不同，主要包括：

共混/复合纺丝型： 将导电填料，如碳纳米管（CNTs）、石墨烯、金属纳米颗粒等，与高分子基体在溶液或熔融状态下共混，然后通过纺丝工艺制成纤维。当填料浓度达到逾渗阈值时，纤维内部形成连续的导电网络。

涂覆/沉积型： 以普通的高强度、高柔韧性纤维为基底，通过浸涂、化学气相沉积或原位聚合等方法，在其表面包覆一层导电物质，如PEDOT:PSS或金属纳米线。这种核-壳结构的纤维通常能同时保持基底优异的力学性能和壳层的导电功能。

3. 有机导电纤维的合成与性能优化策略

制备高性能的有机导电纤维，关键在于实现高电导率和优异机械柔韧性的协同。近三年的研究主要围绕先进的纺丝技术和高效的性能调控策略展开。

3.1 主要合成与制备方法

湿法纺丝（Wet Spinning）： 这是制备本征导电聚合物纤维最常用的方法之一。将导电聚合物（如PEDOT:PSS）的纺丝液通过喷丝头挤入凝固浴中，聚合物发生相分离和固化形成连续的纤维。通过调控纺丝液浓度、凝固浴组分和后拉伸倍率，可以有效控制纤维的形态、结晶度和分子链取向，从而影响其最终的机电性能。

静电纺丝（Electrospinning）： 该技术利用高压静电场将聚合物溶液或熔体拉伸成纳米至微米级的纤维。通过静电纺丝可以方便地制备具有极大比表面积和多孔结构的纤维毡，这对于需要与外界环境充分接触的化学或生物传感器尤为有利。

涂覆与沉积法： 该方法工艺简单，普适性强。例如，研究人员将PDMS等弹性体涂覆在导电纤维表面，以构建用于压力传感的介电层。此外，通过在普通纺织纤维上逐层沉积导电聚合物和功能材料，可实现大规模、低成本地制备柔性传感织物。

3.2 提升电导率的关键策略：掺杂与后处理

掺杂是激活并提升本征导电聚合物电导率的核心手段。近期研究表明，通过优化掺杂策略，PEDOT:PSS纤维的电导率可以实现从几个S/cm到超过4000 S/cm的跨越。

二次掺杂与溶剂处理： 对于广泛使用的PEDOT:PSS体系，采用高沸点、极性的有机溶剂（如乙二醇EG、二甲基亚砜DMSO）或强酸（如硫酸H₂SO₄）进行后处理，可以诱导PEDOT和PSS链的相分离和重排。这不仅移除了部分绝缘的PSS，还促进了PEDOT链形成更有序的结晶结构，从而显著提升电荷传输效率。

新型掺杂剂： 研究人员正在探索离子液体（ILs）、小分子氧化剂（如F4TCNQ）以及无机盐（如Fe(Tos)₃）等作为新型掺杂剂。这些掺杂剂能够更有效地调节聚合物的能级结构或改变其聚集态，从而获得更高的电导率和环境稳定性。例如，有研究报道通过离子液体掺杂处理，PEDOT:PSS纤维在拉伸100%后仍能保持约3 S/cm的电导率。

3.3 优化机械柔韧性与可拉伸性的策略

单一组分的导电聚合物通常较脆，难以满足可穿戴设备的大形变要求。因此，优化机械性能成为研究的另一重点。

复合与共混： 将本征导电聚合物与弹性体（如热塑性聚氨酯TPU、聚二甲基硅氧烷PDMS）共混是提高柔韧性和可拉伸性的最有效途径之一。弹性体基质为纤维提供了可恢复的形变能力，而导电聚合物网络则负责传感功能。

结构设计： 在微观和宏观尺度上构建特殊结构，是实现高拉伸性的巧妙策略。例如，将导电纤维制成螺旋形、网状或波浪形结构，可以在拉伸过程中通过结构的展开而非材料本身的伸长来适应大应变，从而在保持导电通路的同时实现超高的可拉伸性 (>200%)。

引入动态化学键： 在聚合物网络中引入氢键、离子键等可逆的动态化学键，赋予了纤维自愈合（self-healing）的能力。当纤维受损时，断裂的化学键可以重新形成，从而恢复其部分机械和电学性能，极大地延长了传感器的使用寿命。

4. 有机导电纤维在柔性传感器中的前沿应用与性能

有机导电纤维的独特属性使其成为构建各类柔性传感器的理想平台，尤其是在应变和压力传感领域取得了显著进展。

4.1 柔性应变与压力传感器

这是OCFs最广泛和成熟的应用方向。其工作原理主要基于压阻效应，即纤维在受到拉伸或按压时，其内部导电网络发生改变（如裂纹的产生与闭合、导电路径长度变化），导致电阻发生可预测的变化。

应用场景： 将OCFs基传感器集成到衣物、手套或绷带中，可用于实时监测人体关节运动、呼吸频率、脉搏波形等人体生理信号和活动状态。例如，研究人员将导电纤维编织成织物电容式压力传感器，用于监测微弱的压力变化。

结构创新： 通过设计三维多孔结构或微结构阵列（如金字塔、柱状），可以极大地提高压力传感器的灵敏度。例如，一种基于碳化棉纤维和PDMS的传感器，利用纤维的多孔结构实现了高达10.8 kPa⁻¹的灵敏度。

4.2 柔性化学与生物传感器

利用导电聚合物的电导率对环境中的特定分子高度敏感的特性，可以开发柔性化学与生物传感器。

工作原理： 当目标分析物（如氨气、湿度、pH值或特定生物分子）与OCFs表面接触并发生相互作用时，会改变导电聚合物的掺杂水平或电荷传输环境，从而引起电阻或电势的显著变化。例如，一种基于OCFs的湿度传感器，其响应时间可快至26毫秒。

应用前景： 这类传感器可用于环境污染物监测、食品新鲜度检测以及可穿戴的汗液分析，为个性化健康管理提供实时数据支持。

4.3 关键性能指标分析

近三年的研究在传感器性能上取得了突破性进展，以下是基于近期文献报道的典型性能范围：

灵敏度（Sensitivity）：

压力传感器： 压力灵敏度（单位：kPa⁻¹）范围极广，通常在低压区（<1 kPa）表现出更高的灵敏度。近期报道的值从0.1 kPa⁻¹左右到数十kPa⁻¹，甚至更高。例如，有研究报道了34.47 kPa⁻¹ 、39.4 kPa⁻¹  的高灵敏度，个别研究中的灵敏度甚至达到158.26 kPa⁻¹ 。

应变传感器： 应变灵敏度系数（Gauge Factor, GF）是衡量应变传感器性能的核心指标。GF值可以从个位数到数万。一般而言，GF大于2即被认为是高性能。近期研究中，GF值常在10-100的范围，但通过微裂纹机制设计的传感器GF值可高达数千甚至更高，如20084和 102351。

响应时间（Response Time）：

柔性传感器的响应时间普遍非常迅速，通常在毫秒量级。大量研究报道的响应/恢复时间在100毫秒以内。许多高性能传感器的响应时间已进入10毫秒以内，例如 <10 ms 甚至达到3-4 ms的水平足以捕捉快速的生理信号或动态事件。

循环耐久性（Cyclic Durability）：

对于可穿戴应用，优异的耐久性至关重要。目前，高性能的柔性传感器普遍能够承受至少10,000次以上的循环加载-卸载测试，并在测试后保持稳定的性能。一些研究甚至报道了超过15,000次 甚至50,000次的超高循环稳定性，证明了其在长期使用中的可靠性。

5. 商业化挑战与未来研究方向

尽管实验室研究成果斐然，但有机导电纤维及其柔性传感器的大规模商业化仍面临诸多挑战。

5.1 当前面临的商业化挑战

大规模制造与成本控制： 目前，大多数高性能OCFs的制备仍停留在实验室规模。如何实现低成本、高通量、高成品率且性能均一的工业化生产，是商业化的首要障碍。相关工业白皮书和数据表的缺乏也反映了这一点。

长期稳定性与可靠性： 导电聚合物在现实使用环境（如不同温湿度、紫外线照射、汗液腐蚀）下的长期性能衰减问题仍需解决。此外，纤维与电极的连接、封装工艺的可靠性也是关键技术瓶颈。

标准与集成： 行业内缺乏统一的性能测试标准，给不同技术方案的横向比较带来困难。同时，如何将纤细的传感器与刚性的数据处理电路和电源高效、可靠地集成，形成一个完整的可穿戴系统，也是一个复杂的多学科交叉问题。

市场准入： 尽管学术界热情高涨，但明确将“有机导电纤维”作为核心传感元件的商业化柔性传感器产品在市场上仍然鲜见。这表明从技术原型到成熟商品之间仍有很长的路要走。相关的专利布局虽然在进行，但披露的性能指标多为实验室数据，而非量产产品的规格。

5.2 未来研究与发展方向

为应对上述挑战并拓展应用边界，未来的研究将聚焦于以下几个方面：

多功能与智能化： 开发能够同时响应多种物理或化学信号（如应力-温度-湿度）的多模态传感纤维并通过与人工智能、机器学习算法的结合，实现对复杂信号的智能解码与分析。

材料与结构创新： 设计兼具高导电性、超高拉伸性、自愈合能力和生物可降解性的新型本征导电聚合物。探索仿生结构（如模仿蜘蛛丝、肌肉纤维），以实现更优异的综合性能。

先进制造技术： 利用3D/4D打印、直写成型等增材制造技术，实现传感器件的定制化、集成化和一体化制造，突破传统纺织工艺的限制。

自供电与无线化： 将传感器与能量收集单元（如摩擦纳米发电机TENG或压电材料）集成在单一纤维中，构建无需外接电源的自供电传感系统，并结合近场通信（NFC）等技术实现数据的无线传输。

生物医疗深度融合： 进一步优化OCFs的生物相容性，开发可植入的柔性生物电子器件，用于长期的体内健康监测、神经接口或组织工程支架，开拓其在高端医疗领域的应用。

来源：JLE高分子科技