Multifilament conducteur ultra-extensible et portable activé par une structure polypyrrole bouclée en parallèle

npj Flexible Electronics volume 6, Numéro d'article : 42 (2022) Citer cet article

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Les fibres conductrices extensibles ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur utilisation potentielle dans l'électronique portable. Cependant, la conductivité insensible à la contrainte ultra-élevée est entravée par une inadéquation mécanique du module de Young et une défaillance des structures extensibles sous de grandes déformations. Ce défi est relevé avec un multifilament conducteur et élastique composé de monofilaments de polyuréthane recouverts en surface de polypyrrole bouclé (PPy) dont la flexibilité est améliorée par le sulfosalicylate de sodium. Ces monofilaments conducteurs parallèles avec flambage en PPy sur la surface réduisent l'influence des fissures dans le revêtement conducteur sur la conductivité globale, affichant un comportement insensible à la déformation ultra-élevé (facteur de qualité Q = 10,9). Remarquablement, diverses formes complexes de textiles électroniques portables fabriqués par ce multifilament conducteur maintiennent le comportement insensible à la contrainte du multifilament d'origine, même lors de la grande déformation de l'articulation humaine. Ce multifilament avec PPy froissé présente des avantages intéressants dans l'application d'appareils électroniques portables super étirés.

Ces dernières années, les textiles électroniques portables tels que les capteurs1,2, les dispositifs de récupération et de stockage d'énergie3,4, les dispositifs de mémoire5, les écrans6 et les radiateurs7 ont suscité un intérêt croissant de la part des communautés de recherche et de l'industrie. La croissance à grande vitesse des textiles électroniques portables impose une forte demande de circuits électroniques flexibles et extensibles pour assurer la transmission stable et sans perte de signaux électriques sous un grand étirement mécanique8,9. Diverses méthodes technologiques, y compris la structure de bobine hélicoïdale10,11, la structure de "ressort de torsade"12, la structure en couches13 et la structure bouclée8,14 ont été développées pour fabriquer le circuit électronique extensible en vue de concevoir des fibres et des fils multifonctionnels. La stratégie la plus couramment utilisée repose sur les constructions géométriques basées sur les principes du ressort hélicoïdal, permettant une électronique extensible de haute performance10,11. Malgré l'efficacité de la méthode, des inconvénients tels que les structures multidimensionnelles qui nécessitent souvent des matériaux de liaison complexes et une technologie de liaison, et le mouvement non plan des bobines lors de l'étirement, ont incité à rechercher d'autres stratégies alternatives15. Les composites fibreux conducteurs à structure stratifiée en spirale formés par laminage des films n'apportent qu'une solution insatisfaisante pour leur faible insensibilité à la déformation (facteur de qualité Q = 0,57 à 356%)13. Par conséquent, un circuit électronique extensible à base de fibres avec une intégration facile et un comportement hautement insensible aux contraintes est toujours extrêmement souhaitable pour les textiles électroniques portables.

Les structures de flambage ont été utilisées pour surmonter les contraintes spatiales tout en maintenant une conductivité constante dans divers dispositifs flexibles16. Le module apparent des éléments conducteurs peut être considérablement abaissé en formant les structures bouclées, par exemple, enroulées, ondulées et froissées, sur la surface du substrat élastique, garantissant l'extensibilité du circuit à base de fibres conductrices17. Par exemple, un multifilament conducteur en forme de ver a été préparé en pré-étirant d'abord un noyau multifilament en polyuréthane (PU), puis en l'enduisant d'une couche de graphène8. Une telle structure permettait un changement de résistance négligeable (environ 0,26) jusqu'à 300% de déformation. Cependant, une augmentation de la résistance électrique a été observée au stade initial de l'étirement en raison de la séparation des rides du graphène, une propriété utile pour les capteurs18,19 mais indésirable pour les circuits électroniques étirables. De plus, bien qu'il ait été prouvé que la structure gauchie était capable d'atténuer efficacement la désadaptation mécanique entre les éléments conducteurs et le substrat, une interaction interfaciale élevée est toujours nécessaire pour améliorer les performances du cycle17. Ainsi, il est essentiel de sélectionner les éléments conducteurs pour différents substrats afin d'obtenir une interaction interfaciale supérieure.

Les éléments conducteurs utilisés dans l'électronique extensible comprennent principalement des nanofils métalliques20, des nanomatériaux de carbone8 et des polymères conducteurs21,22. Certaines des méthodes de revêtement les plus couramment utilisées pour les deux premiers comprennent la pulvérisation et le revêtement par immersion. Les dommages et le décollement à l'interface lors de l'étirement ont été rapportés, montrant la nécessité d'augmenter encore les interactions interfaciales entre les éléments conducteurs et le substrat17,23. En revanche, une forte interaction interfaciale entre les polymères conducteurs et les substrats peut être obtenue par une simple méthode de polymérisation in situ. En revanche, les polymères conducteurs sont plus compatibles avec les substrats élastomères en propriétés mécaniques qu'avec les nanofils métalliques et les nanomatériaux de carbone17. Parmi les polymères conducteurs, le polypyrrole (PPy) a attiré une grande attention en raison de sa légèreté, de son faible coût, de sa bonne conductivité électrique et de sa bonne biocompatibilité24. Cependant, le décalage mécanique dans le module de Young, la déformation à la rupture et la résistance à la traction entre le PPy et un substrat élastomère existe toujours même s'ils sont tous des polymères. Par conséquent, un revêtement de PPy flexible (c'est-à-dire à faible module d'Young) est essentiel pour obtenir une extensibilité supérieure.

Ici, inspirés par la structure des faisceaux de fibres musculaires électriquement sensibles, nous avons conçu un faisceau de fibres conductrices et élastiques constitué de monofilaments PU recouverts en surface de PPy bouclé via une simple méthode de polymérisation in situ. Ces monofilaments conducteurs parallèles avec flambage en PPy sur la surface ont réduit l'influence des fissures dans le revêtement conducteur sur la conductivité globale, affichant un comportement insensible à la déformation ultra-élevé exceptionnel. Notez que la flexibilité du PPy a été améliorée en ajoutant du sulfosalicylate de sodium (NaSSA) comme plastifiant. Ce multifilament conducteur particulier présentait un petit diamètre (0,21 mm), une bonne conductivité initiale (238,0 S m−1) et une remarquable performance insensible à la déformation (Q = 10,9). Même à une contrainte de traction de 900 %, il maintenait toujours une conductivité électrique stable (le changement de résistivité relative n'était que de 3,5) et une capacité de récupération. Plus important encore, cette fibre conductrice peut être facilement intégrée au tissu par tissage, tricotage ou broderie. Ce multifilament PU intégrable, hautement extensible, ultra-fin et hautement conducteur est très compétitif pour les textiles portables intelligents.

Le tissu musculaire, principal contributeur à un mouvement physiologique, possède une structure alignée composée de multiples fibres, et il est sensible aux signaux électriques (Fig. 1a). Inspirés par cette structure, nous avons développé le multifilament conducteur basé sur deux principes, à savoir une conductivité insensible à la contrainte sous une contrainte ultra-élevée et une intégration facile aux appareils portables. Pour cette dernière exigence, sans aucun doute, des fibres plus fines offriront des possibilités indubitables d'être intégrées dans les textiles électroniques compacts et sophistiqués. Semblable aux faisceaux de fibres musculaires, le multifilament PU conducteur était constitué de plusieurs monofilaments parallèles avec le PPy flambant en surface, avec le processus de fabrication détaillé illustré à la Fig. 1b. \({{{\mathrm{PU}}}}_y^x\) @PPy indique que le multifilament PU était de x denier (D, un denier a une masse linéique d'un gramme de masse par 9000 m de fibre) et que le revêtement PPy a été préparé sous la contrainte de pré-étirage y. Avant le dépôt in situ de PPy, la polydopamine (PDA) a été introduite sur la surface du multifilament PU pré-étiré pour améliorer la mouillabilité via une polymérisation en solution améliorée par revêtement DA. Une méthode améliorée de polymérisation in situ a été adoptée pour obtenir une couche de revêtement PPy homogène sur chaque monofilament du multifilament PU pré-étiré25. Après avoir relâché l'étirement, les rides de PPy se sont formées à la surface de chaque monofilament. C'est une telle structure qui confère au multifilament une conductivité stable sous forte contrainte. Par conséquent, la luminosité de la LED a à peine changé entre 0% et 900% de contrainte (Fig. 1c). De plus, le multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy peut posséder une conductivité élevée à une petite taille. Grâce à son diamètre fin, le multifilament conducteur peut passer à travers une aiguille à coudre n°1, ce qui suggère qu'il peut être fabriqué sur des appareils électroniques portables avec les technologies textiles existantes (Fig. 1d).

a Modèle prototype du multifilament PU@PPy. b Illustration schématique de la préparation du multifilament conducteur PU@PPy. c Images optiques montrant la réponse des LED à différents allongements du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. La barre d'échelle est de 20 mm. d Image SEM montrant le multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy passant à travers une aiguille #1. La barre d'échelle est de 300 μm.

La flexibilité limitée du PPy en raison de son squelette conjugué rigide est le plus grand obstacle à son application dans les conducteurs étirables26. Il y avait des fissures sous une petite contrainte sur la surface du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy lorsque seul FeCl3 était utilisé comme dopant (Fig. 1 supplémentaire). Dans ce travail, en plus de diminuer le module apparent de la couche de PPy par conception structurelle, le NaSSA a été utilisé comme plastifiant pour améliorer également la flexibilité intrinsèque. Les films PPy avec ou sans NaSSA ont été synthétisés par polymérisation interfaciale (plus de détails peuvent être trouvés dans les informations complémentaires) pour déterminer si l'incorporation de NaSSA a effectivement amélioré la propriété mécanique. Comme le montre la Fig. 2a-c supplémentaire, l'allongement à la rupture des films PPy avec Cl−/SSA− comme dopant (\({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}/{\mathrm{NaSSA}}}\)) était de 8,58 %, ce qui était beaucoup plus élevé que celui (3,81%) du film PPy avec Cl− comme dopant (\({\mat hrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\)). Un angle de flexion plus grand (51, 20 °) du film \ ({\ mathrm {PPy}} _ {{\ mathrm {FeCl}} _ {{3}}} \) a été démontré par la méthode en porte-à-faux, confirmant que la flexibilité du film PPy a été améliorée par NaSSA (Fig. 2d supplémentaire). Le film \({\mathrm{PPy}}_{{\mathrm{FeCl}}_{{3}}}\) a présenté une capacité incroyable sous des flexions répétées à température ambiante (Fig. 2a). Plus intéressant encore, cette flexibilité a été conservée dans l'azote liquide (Fig. 2b et vidéo supplémentaire 1). Nous avons précédemment signalé les membranes PPy vierges qui sont aussi douces dans l'azote liquide qu'à température ambiante et avons également discuté de ce phénomène intéressant26,27. Dans ce travail, les propriétés intrinsèques étaient également considérées comme la cause de la flexibilité des films PPy et des revêtements PPy. De plus, il est contradictoire que les polymères conducteurs aient à la fois une conductivité élevée et une flexibilité élevée28. De manière passionnante, NaSSA pourrait améliorer non seulement la flexibilité du PPy mais également la conductivité. La conductivité de PU@PPy est passée de 70,8 ± 4,6 S m−1 à 358,2 ± 27,9 S m−1 après l'utilisation de NaSSA comme dopant.

a Films de PPy fléchissant à température ambiante. b Films de PPy agités dans de l'azote liquide. c Spectres XPS à balayage complet ; Spectres haute résolution de d N1s de films PPy. e Illustration schématique du PPy extensible avec NaSSA comme plastifiant. Images SEM du \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sans traitement PDA à partir de f vues longitudinales et g en coupe. La barre d'échelle est : 50 μm, encart 5 μm. h Image AFM du \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy avec traitement PDA.

Pour expliquer davantage le rôle de NaSSA dans l'amélioration de la conductivité et de la flexibilité du PPy, les analyses chimiques ont été explorées à l'aide du spectre XPS et Raman. L'élément soufre (S) a été observé dans le spectre XPS du PPy avec FeCl3 / NaSSA comme dopant, confirmant que NaSSA agissait comme des contre-ions (Fig. 2c). Et la teneur relative en -NH + - (26, 59%) dans le PPy avec FeCl3 / NaSSA comme dopant était supérieure à celle (21, 55%) dans l'échantillon sans dopage de NaSSA, indiquant que NaSSA pourrait améliorer la conductivité de PPy en augmentant le niveau de dopage (Fig. 2d). Les spectres Raman du PU@PPy préparé avec ou sans NaSSA comme dopant ont également été mesurés. Le spectre (Fig. 3 supplémentaire) montre les bandes principales de PPy à 1576 cm−1 (étirement C = C), 1374 et 1327 cm−1 (deux bandes d'étirement en anneau), 1238 cm−1 (C–H antisymétrique en flexion plane), 1084 et 930 cm−1 (la structure bipolaron) et 1046 et 963 cm−1 (la structure polaron )25. Les rapports entre les absorptions bipolaron (1084 et 930 cm-1) et polaron (1046 et 963 cm-1) ont été utilisés pour estimer le degré de dopage et ces rapports sont rapportés dans le tableau supplémentaire 129. Des rapports bipolaron/polaron plus élevés du PU@PPy préparé avec du NaSSA comme dopant ont été considérés comme une preuve expliquant que le dopant NaSSA améliorait également la conductivité du PPy. Il a été rapporté que les anions sulfonate et sulfonimide ont un effet de filtrage de charge qui affaiblit les interactions entre les polymères28. Ce qui est particulièrement important, c'est que le dopage du d-sorbitol pourrait affaiblir les interactions entre les chaînes polymères pour améliorer la flexibilité mécanique30. Par conséquent, nous soupçonnons que le NaSSA a deux effets : 1. Les molécules de NaSSA affaiblissent les interactions entre les chaînes PPy (Fig. 2e) et facilitent ainsi le mouvement des chaînes moléculaires conduisant à un module intrinsèque réduit du PPy ; 2. Les dopants NaSSA ont augmenté le niveau de dopage du PPy, ce qui a entraîné une amélioration de la conductivité.

Pour évaluer l'effet du PDA sur la structure de flambement, la morphologie du \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilament avec ou sans traitement PDA a été observée (Fig. 2f – h et Supplémentaire Fig. 4a – c). Des fissures de PPy le long de l'axe de la fibre n'ont été observées que sur le multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sans traitement PDA (Fig. 2f et Fig. 4a supplémentaire), indiquant que l'utilisation de PDA a empêché la fissuration du PPy. En effet, le revêtement PDA augmentait le dépôt de PPy31, résultant en un revêtement PPy épais qui était plus résistant à l'expansion circonférentielle lorsque le filament était libéré. En effet, l'épaisseur du PPy sur \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy était de 0,80 ± 0,17 μm, alors que celle sans PDA n'était que de 0,54 ± 0,10 μm (Fig. 4b et Fig. 2g supplémentaires). De plus, la hauteur des flambements sur le PU @ PPy avec modification PDA (~ 1, 56 μm) était beaucoup plus grande que celle sans PDA (~ 0, 25 μm), comme le montrent la Fig. 2h, la Fig. 5 supplémentaire et la Fig. 4c supplémentaire. Ces différences de forme et de taille de la structure de flambement ont également été causées par l'épaisseur du revêtement PPy (une analyse plus détaillée peut être trouvée dans la méthode supplémentaire 1). Remarquablement, les images SEM des coupes transversales ont révélé que chaque monofilament du multifilament modifié par PDA était recouvert de PPy bouclé, contrairement au revêtement PPy incomplet sur les monofilaments non modifiés (Fig. 2g et Supplémentaire Fig. 4b). Il s'agit d'une structure fascinante qui avait rarement été observée et rapportée dans la littérature jusqu'à présent.

Pour étudier l'effet du temps de polymérisation sur la forme du flambage, le PPy a été polymérisé sur le \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy à différents moments. Par rapport à la surface lisse du multifilament PU (Fig. 6a supplémentaire), la surface de chaque monofilament parallèle dans le multifilament PU @ PPy était entièrement recouverte de rides denses et régulières de PPy (Fig. 6b-f supplémentaire). La présence de PPy a été confirmée par l'analyse FTIR selon le pic caractéristique à 993 cm-1 attribué à l'étirement dans le plan de =CH (Fig. 7 supplémentaire)32. La conductivité la plus élevée (Fig. 8 supplémentaire) et les flambages les plus denses (Fig. 6 supplémentaire) sur le \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{210{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilament ont été obtenus lorsque le temps de polymérisation était de 24 h, ce qui était considéré comme le temps de réaction optimal.

Pour élucider les effets de la structure de flambement sur les propriétés mécaniques, nous avons évalué le multifilament PU @ PPy composé d'un nombre différent de monofilaments, le multifilament PU et le \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy multifilament préparé sous différentes contraintes de pré-étirement (Fig. 9 supplémentaire). Au fur et à mesure que le nombre de monofilaments augmentait, la résistance à la rupture du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy diminuait progressivement, tandis que l'allongement à la rupture montrait une tendance opposée (Fig. 9a – c supplémentaire). Le premier a été attribué à l'augmentation de la probabilité de nœuds faibles à mesure que le nombre de monofilaments augmente, et le second était lié à l'augmentation du diamètre du multifilament33. Les propriétés mécaniques du PU sans revêtement PPy ont également montré une tendance similaire, ce qui nous laisse penser que ce phénomène a été causé par la structure du multifilament PU plutôt que par le revêtement PPy (Fig. 9d-f supplémentaire). Les propriétés de traction du \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy préparé sous différentes contraintes de pré-étirement ont également été évaluées (Fig. 9g-i supplémentaire). Bien que l'allongement du multifilament ait progressivement diminué avec l'augmentation de la contrainte de pré-étirement, tous les multifilaments présentaient une extensibilité élevée exceptionnelle (> 1000%) et une résistance à la rupture similaire (~ 100 MPa), conformément aux études précédentes8. De plus, le multifilament \({{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a montré une bonne récupérabilité à 100 % de déformation et une petite hystérésis à 200 % de déformation comparable à celle de la référence (Fig. 10a supplémentaire)8,34. Après 100 cycles de chargement-déchargement sous une contrainte de 100 %, les performances de récupération du multifilament se sont à peine détériorées (Fig. 10b supplémentaire). La forte résistance et les propriétés hautement extensibles du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pourraient garantir la disponibilité pour la fabrication de textiles électroniques portables à grande contrainte.

La dépendance à la déformation du changement de résistance relative (ΔR/R0) du \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy avec différents nombres de monofilaments parallèles a été évaluée plus en détail pour prouver la fonction de la structure parallèle (Fig. 3a – c). Comme le montre la Fig. 3c, tous les \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy ont présenté un changement de résistance similaire insensible à la déformation à faible déformation (< 50%) en raison du revêtement PPy en forme de flambement analogue, dont la distance entre les boucles adjacentes était d'environ 5 μm (Fig. 11a-e supplémentaire). La morphologie bouclée est un facteur important affectant le comportement insensible à la déformation à faible déformation, comme indiqué dans des études antérieures18,21. Lorsque la déformation a encore augmenté, la dépendance à la déformation de ΔR/R0 du \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy a diminué à mesure que le nombre de monofilaments augmentait. En effet, même si le revêtement PPy sur un monofilament était cassé, les revêtements PPy sur d'autres monofilaments à la même section transversale pourraient toujours être intacts pour permettre à l'électricité de circuler librement, grâce à la disparition de l'espace libre entre les monofilaments lors de l'étirement aux contraintes ultra-élevées. Évidemment, cette probabilité augmentait à mesure que le nombre de monofilaments augmentait. L'électro-réponse à la déformation du \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy n'a cependant pas été davantage réduite car le revêtement conducteur n'a pas réussi à pénétrer complètement dans le multifilament PU épais, c'est-à-dire 840D, confirmé par les filaments blancs plutôt que le revêtement PPy noir à l'intérieur du \({{{\mathrm{PU}} }}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy et exposé après sa rupture (Fig. 3b).

a Schéma de principe de monofilaments conducteurs parallèles avec revêtement PPy flambant. b Photos optiques de \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy et \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^{840{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy après rupture. La barre d'échelle est de 2 mm. c Changement de résistance relative de \({{{\mathrm{PU}}}}_{50\% }^x\) @PPy avec différents diamètres lors de l'augmentation de la déformation. Images SEM de la coupe transversale de d \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy et e \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy. La barre d'échelle est : 100 μm, encart 15 μm. f Modification de la résistance relative du multifilament conducteur et du filament à noyau de gaine sous étirement. g Mécanisme de fonctionnement du multifilament conducteur parallèle sous contrainte croissante. h Chemin du courant (flèche jaune) le long du multifilament pendant l'étirement.

Pour démontrer plus intuitivement les performances insensibles à la déformation du monofilament conducteur en parallèle (\({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy, l'image SEM de sa section transversale est présentée à la Fig. 3d), et les filaments gaine-âme avec revêtement PPy en forme de flambage (Fig. 3e), nommés \({{{\ mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy, ont été préparés comme contrôle (voir les informations complémentaires pour plus de détails). La figure 3f illustre évidemment que le ΔR/R0 du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy était beaucoup plus élevé que celui du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}} }}\) @PPy sous 200 % de déformation (1,67 contre 0,18). Plus important encore, le \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a montré un meilleur comportement insensible à la déformation, maintenant le ΔR/R0 à un niveau bas (3,50) jusqu'à ce que la déformation atteigne 900 %, tandis que cette valeur de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{4 20{{{\mathrm{D}}}}}\) @WPU@PPy a fortement augmenté à 74,00.

Afin d'expliquer davantage l'insensibilité élevée à la contrainte du conducteur PU @ PPy, un modèle a été établi pour démontrer comment le PPy a changé pendant l'étirement, comme le montre la Fig. 3g & h. Le processus d'étirement peut être généralement divisé en trois étapes. Dans la première étape, lorsque la déformation ε < la déformation de pré-étirement εp, le flambement PPy se dilate progressivement et la résistance reste constante résistance R = R0, où R0 est la résistance initiale. Contrairement aux études précédentes8,35, notre travail n'a pas montré la forte augmentation de la résistance causée par la réduction de la zone de contact entre les boucles adjacentes lors de l'étirement. Une structure de flambage ordonnée est montrée par les images AFM (Fig. 2h) et SEM (Fig. 11 et 12 supplémentaires) du multifilament PU @ PPy. Dans la deuxième étape où ε > εp, le revêtement PPy commence à montrer une déformation en traction, qui se manifeste par la diminution de l'épaisseur et l'augmentation de la longueur du revêtement PPy. Lorsque l'effet de Poisson est pris en compte, la résistance à ce stade est donnée par l'équation. (1).

où γ est le coefficient de Poisson du revêtement PPy, et \(R_{\varepsilon _{{{\mathrm{p}}}}}\) est la résistance du PU@PPy à la déformation εp. Plus de détails peuvent être trouvés dans la méthode supplémentaire 2. Sous une contrainte excessive, des fissures dans le revêtement PPy apparaissent, gênant la circulation du courant. Cependant, comme les monofilaments conducteurs sont indépendants les uns des autres, les fissures dans un filament ne se propagent pas aux monofilaments environnants, et la jonction étroite entre les monofilaments sous la forte contrainte peut garantir le chemin conducteur intact pour le courant électrique. Comme le montre la Fig. 13 supplémentaire, un modèle de résistance équivalent est utilisé pour expliquer la stabilité électrique. Le multifilament conducteur peut être considéré comme de nombreuses résistances en série le long de la direction longitudinale, et chaque résistance peut être considérée comme étant composée de plusieurs résistances parallèles le long de la direction perpendiculaire ou transversale (le nombre de résistances parallèles est le nombre de monofilaments conducteurs). Lorsque des fissures se produisent sur certaines résistances, leur conductivité chute considérablement ; cependant, d'autres résistances parallèles à elles maintiennent toujours la conductivité. Dans cette étape, la résistance peut être calculée par Eq. (2).

où erf(x) est la fonction d'erreur et q, p, ε0 et μ sont des paramètres d'ajustement. Plus de détails peuvent être trouvés dans la méthode supplémentaire 3.

De plus, les propriétés insensibles à la contrainte du multifilament conducteur avec différentes contraintes de pré-étirement ont été étudiées (Fig. 4). Comme le montre la figure 4a, le ΔR/R0 de tous les multifilaments \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a augmenté avec l'augmentation de la contrainte de traction. Et le taux d'augmentation de ΔR / R0 a diminué à mesure que la contrainte de pré-étirement augmentait, ce qui était lié à la forme de flambage (Fig. 12 supplémentaire). La conductivité électrique de l'étirable \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a ensuite été calculée avec le volume du multifilament supposé constant pendant l'étirement, comme illustré à la Fig. 4b. Avec l'augmentation de la déformation axiale, la conductivité du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy est passée de 238,0 S m−1 à 5304,0 S m−1, ce qui correspond à ce qui est rapporté dans la littérature8,30. Cela peut être dû à l'effet synergique entre l'expansion des boucles PPy et l'alignement induit par la contrainte des chaînes conductrices PPy30. Remarquablement, le \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a présenté une large gamme de réversibilité de l'électro-réponse, aucune tendance à la baisse jusqu'à la déformation ultra-élevée de 900 %. Un tel comportement a été attribué aux structures parallèles qui ont la capacité de fournir le chemin conducteur supplémentaire sous une contrainte ultra-élevée en raison du contact étroit entre les monofilaments. Les performances insensibles à la contrainte du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy et du \({{{\mathrm{PU}}}}_{300\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy étaient similaires (Fig. 4a) car le petit espace libre entre les monofilaments sous une contrainte de traction élevée ont rendu le PPy difficile à pénétrer dans le multifilament PU (Fig. 4c), ce qui a été corroboré par l'observation en coupe du \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy (Fig. 14 supplémentaire) et par le pourcentage en poids de PPy (Fig. 15 supplémentaire et Tableau supplémentaire 2). Cette tendance était commune à d'autres PU @ PPy de différents nombres de monofilaments conducteurs parallèles (Fig. 16 supplémentaire). De plus, la conductivité initiale du multifilament \({{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a diminué de 344,1 S m−1 à 125,4 S m−1 lorsque la contrainte de pré-étirement est passée de 0 % à 300 % (Fig. 4b), ce qui indique également que les boucles adjacentes sont indépendantes, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas en contact (Supp 12) et la réduction du pourcentage en poids de PPy dans le multifilament résultant de la difficulté pour le PPy de pénétrer dans le multifilament PU serré sous la forte contrainte de pré-étirage (Fig. 15 supplémentaire et Tableau supplémentaire 2).

a Changement de résistance relative de \({{{\mathrm{PU}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy lors de l'augmentation de la déformation. b Courbes de conductivité-déformation de \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. c Le diagramme de l'effet de perméation du multifilament avec différentes souches de pré-étirement sur une petite molécule (telle que DA, FeCl3, NaSSA et Py représentés par des sphères vertes). de Comparaison de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy avec le conducteur 1D rapporté dans la littérature (Réf. 8,12,35,36,37,38,39,40,41). f images SEM et g la résistance de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sous une contrainte croissante. La barre d'échelle est de 100 μm.

De plus, la conductivité électrique du \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy avec différentes contraintes de pré-étirement a été évaluée par la courbe IV sous une tension de charge de 5 V (Fig. 17 supplémentaire). Tous les multifilaments présentaient une forme linéaire, indiquant que le multifilament obéit à la loi d'Ohm. Et la diminution de la pente des courbes a également confirmé que la résistance du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a augmenté après le traitement de pré-étirement.

Le facteur de qualité Q = (Δl/l0)/(ΔR/R0) a été adopté pour mieux évaluer le comportement insensible à la déformation du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy14. Comparé aux conducteurs étirables linéaires 1D rapportés dans la littérature8,12,35,36,37,38,39,40,41, le \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a présenté un facteur Q beaucoup plus grand sous ultra-déformation et finesse (Fig. 4d & e, des données détaillées peuvent être trouvées dans le supplément Tableau 3). Comme le montre la figure 4d, le facteur Q du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy était de 10,9 à un allongement de 200 %, ce qui est parmi les meilleurs par rapport à la littérature. Le Q est ensuite resté à 2,6 jusqu'à 900%, démontrant le bon comportement insensible à la contrainte de ce multifilament conducteur sous ultra-haute contrainte. Remarquablement, le diamètre du multifilament n'est que d'environ 0,21 mm, ce qui est beaucoup plus petit que tout autre conducteur rapporté (Fig. 4e), offrant de grandes possibilités pour son intégration dans des appareils portables intelligents.

Pour tester le modèle hypothétique ci-dessus du monofilament conducteur parallèle sous une contrainte croissante, un test de traction in situ a été effectué à l'aide du SEM équipé d'un support de traction (Fig. 4f et vidéos supplémentaires 2–4). Le PPy se déforme sur la surface \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy s'étend progressivement en s'étirant (Vidéo supplémentaire 3), tandis que le revêtement PPy sur le \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) La surface @PPy a commencé à se fissurer à environ 45 % de déformation (Vidéo supplémentaire 2). Pour observer les trois étapes de changement du revêtement PPy, un \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy (déformation entre 150 % et 200 %) a été maintenu sur la table d'étirement de la traction SEM in situ. La vidéo supplémentaire 4 a enregistré les trois étapes ci-dessus dans le processus d'étirement du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy, a ratifié notre modèle et les hypothèses. Le γ dans l'éq. (2) pour le \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a été obtenu à partir de la vidéo supplémentaire 2. L'équation (3) fournit la résistance du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pendant le processus d'étirement.

La résistance théorique du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pendant l'étirement est illustrée à la Fig. 4g, qui correspond bien aux données de l'expérience. La différence entre les résultats théoriques et expérimentaux dans la première étape peut être due au changement de volume du revêtement PPy sous la pression entre les monofilaments le long de la direction de la section pendant le processus d'expansion de boucle.

La réversibilité est un paramètre très important pour les textiles électroniques portables. Les figures 5a–d montrent les courbes IV du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy à différents allongements. A 200% d'allongement, la pente de la courbe IV n'est que légèrement moins raide par rapport à celle à 0% d'allongement (Fig. 5a), et la lampe LED liée au filament reste très lumineuse (Fig. 5a en médaillon). Lorsque l'allongement a atteint 500 %, la résistance du filament a augmenté d'environ deux fois et la LED a commencé à s'assombrir (Fig. 5b). La figure 5c montre que même à 900 % d'allongement, la résistance du filament peut toujours être utilisée comme conducteur pour allumer la lampe à LED. Cela a confirmé que le \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy peut être utilisé de manière fiable comme conducteur extensible sous de très grandes contraintes. Après récupération, la résistance du filament n'a augmenté que de 15% (Fig. 5d), en raison de la rupture du PPy. La figure 5e présente le changement périodique de résistance en 1500 cycles d'étirement-récupération avec une déformation passée de 0 % à 20 %. La résistance à 0 % de déformation n'a augmenté que de 3 % après 1 500 cycles, ce qui témoigne de la remarquable réversibilité et de la stabilité du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. Pour vérifier davantage la réutilisabilité du multifilament, la conductivité du multifilament après lavage à l'eau a été caractérisée. Le cycle de lavage complet d'une machine à laver, d'une durée de 34 minutes, comprend quatre étapes de lavage à chaud, rinçage, vidange et séchage42. Nous avons simulé ce processus en utilisant une méthode similaire au test de lavage de la solidité des couleurs (GB/T 3921-2008). Pour plus de simplicité, l'étape de rinçage a été remplacée par une étape de lavage à chaud plus sévère et l'étape d'égouttage, qui endommageait peu les fibres, a été omise. Lors d'un test de lavage simulé, le multifilament a donc subi un lavage à chaud (800 tr/min, 40 °C, 20 min) et un séchage (60 °C, 15 min). Au fur et à mesure que le nombre de lavages augmentait, la conductivité diminuait progressivement en raison du processus de dédopage du PPy ; 43 cependant, la conductivité était toujours de 94,6 S m−1 après 16 lavages (Fig. 18 supplémentaire). Dans le mouvement du corps humain, la déformation d'étirement s'accompagne souvent d'une déformation de flexion (Fig. 5f). Par conséquent, la résistance du filament à la fois à l'étirement et à la flexion a également été étudiée pour mieux simuler les mouvements du corps humain. Nous avons conçu un instrument d'étirement-flexion (Fig. 5g) avec un système LED pour surveiller le changement en temps réel de la résistance du filament, et les résultats sont présentés sur la Fig. 5h. À un angle de flexion élevé de 70 °, la résistance du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy n'a changé que de 3,5 %, tandis que la résistance du \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PP y a augmenté de 6441,6 %. Le \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a montré une conductivité insensible incomparable, comme en témoignent les variations de luminosité des LED à peine perceptibles (Fig. 5f et Vidéo supplémentaire 5).

a–d Les courbes IV de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy à différentes contraintes (200 %, 500 %, 900 % et récupération). e Le test de chargement-déchargement cyclique de 1500 de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sous 20 % de déformation. L'encart montre 5 cycles au début et à la fin des 1500 cycles, respectivement. f Schémas pour la double déformation en flexion (rose) et en étirement (violet) pour le mouvement du corps humain. g Instrument d'étirement-pliage du filament. h Changement de résistance en temps réel du filament lors d'un processus d'étirement-flexion.

La conductivité réelle est un autre facteur important en plus du facteur de qualité qui affecte l'application des fibres conductrices au système de circuit portable. Quant à l'application dans les matériaux conducteurs extensibles 3D et 2D, notre multifilament conducteur de petit diamètre peut être utilisé pour fabriquer des textiles électroniques plus compacts et sophistiqués avec la technologie textile. L'intégration de plusieurs fibres dans un brin par doublage et torsion, ou l'intégration de nombreuses fibres dans un tissu par tissage, tricotage et broderie est presque une étape essentielle dans le processus de formation du textile. Cela équivaut à connecter plusieurs conducteurs en parallèle, ce qui entraîne une résistance globale inférieure. Bien que la mise en parallèle des résistances soit un moyen efficace d'améliorer la conductivité du circuit, cela entraîne inévitablement une augmentation de la taille. Bénéficiant du petit diamètre du multifilament conducteur dans ce travail, les brins pourraient encore répondre aux exigences d'intégration de l'électronique compacte et sophistiquée après mise en parallèle. En prenant l'exemple de l'intégration de plusieurs fibres dans un toron par doublage et retordage, en supposant que la section des fibres est circulaire et en ignorant la déformation d'extrusion entre fibres, selon la théorie du garnissage le plus proche, la résistance du toron obtenu en retordant 7 fibres est réduite d'un facteur 7, alors que le diamètre n'est augmenté que d'un facteur trois. Pour tester notre hypothèse, un brin formé par la torsion de 7 multifilaments conducteurs a été fabriqué. Le diamètre des fibres conductrices était d'environ 0,65 mm (Fig. 19a supplémentaire) et la résistance initiale était d'environ un septième de celle de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy (Fig. 19b supplémentaire), ce qui est cohérent avec le modèle théorique. Il est important de noter que la finesse des brins est meilleure que celle des fibres conductrices rapportées précédemment, et la conductivité électrique est également comparable8,12,41. Pour valider davantage l'application potentielle dans les circuits portables, un système LED avec les brins formés en torsadant 16 multifilaments conducteurs en tant que circuit a été conçu. On a pu observer visuellement que les LED étaient allumées à 3 V (Fig. 19c supplémentaire), indiquant une perte d'énergie négligeable dans le circuit.

De même, l'intégration de nombreuses fibres dans un tissu par tissage, tricotage et broderie est un moyen efficace d'améliorer la conductivité du circuit. Pour démontrer la faisabilité de la préparation de textiles électroniques compacts et sophistiqués, des tissus textiles fabriqués avec le multifilament conducteur par tissage, tricotage et broderie, respectivement (Fig. 6a – d et Supplémentaire Fig. 20). Le métier à tisser à lances et les machines à tricoter circulaires utilisés ont été illustrés aux figures 6a et c. Différents trajets de fibres (boucles ou lignes droites, Fig. 6b & d) et arrangements de fibres (Fig. 20a et Fig. 6b supplémentaires), différentes formes de tissu (feuilles ou tubes, Fig. 6b & d encart) et des motifs complexes (Fig. 20b supplémentaire) peuvent être facilement produits grâce à la technologie textile. Les tissus à armure toile avec le \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy ou \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy comme trames ont été utilisés pour évaluer la fonctionnalité du multifilament conducteur après tissage (Fig. 6a & b) car le tissage avec les technologies de formage textile provoque la plus grande abrasion sur le revêtement PPy. La Fig. 21 supplémentaire montre que la résistance initiale du tissu intégrée par quatre \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy est réduite à environ un quart de la résistance d'une seule fibre. De plus, les changements de résistance (R/R0) lors de l'étirement, de l'éclatement et de la torsion ont également été évalués pour simuler les déformations robustes lorsqu'ils sont utilisés dans des textiles électroniques portables. La figure 6e révèle que le R/R0 du tissu intégré au \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy n'était que de 1,46 sous 300 % de déformation, ce qui était bien inférieur à celui du tissu composé du \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{ \mathrm{D}}}}}\) @PPy (170,78), indiquant que le tissu a hérité du comportement insensible à la déformation du multifilament conducteur d'origine. Le processus d'éclatement, c'est-à-dire l'application d'une tension verticale au tissu, ne peut être ignoré pour les textiles intelligents. Un dispositif pour appliquer la contrainte verticale a été conçu et le changement de résistance du tissu pendant le processus d'éclatement est illustré à la Fig. 6f. Lorsque la tige (diamètre : 5 mm) perpendiculaire au tissu (20 mm × 20 mm) est descendue à 17 mm, la résistance du tissu déformé composé du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy n'a augmenté que de 30 % alors que la résistance du tissu composé du \({{{\mathrm{PU}}}} _{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy augmenté de 1225 %. De plus, comme le montre la figure 6g, la résistance électrique du tissu composé de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a affiché peu de dépendance à la déformation en torsion par rapport au tissu composé de \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D} }}}}\) @PPy. Le mouvement du corps humain est complexe et entraîne souvent de multiples déformations des vêtements. Par conséquent, nous avons conçu un appareil capable de générer simultanément plusieurs déformations telles que l'étirement, la flexion et la torsion pour simuler les déformations complexes lors du mouvement réel du corps humain (Vidéo supplémentaire 6). La résistance du tissu testé a présenté des changements périodiques en fonction du chargement et du déchargement périodiques des déformations complexes (Fig. 6h). Sous différentes fréquences et déformations, la résistance du tissu composé de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a révélé peu de changement par rapport au tissu composé de \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. Ces résultats illustrent que le tissu composé de \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy peut relever le défi du mouvement complexe du corps humain.

Images optiques d'une machine à tisser à lances, b tissu avec multifilament conducteur obtenu par tissage, c machine à tricoter circulaire et d tissu avec multifilament conducteur obtenu par tricotage. La barre d'échelle est de 0,5 mm. Changements de résistance du tissu pendant e l'étirement, f l'éclatement et la g torsion. h Changements de résistance dynamique du tissu sous de multiples déformations. Application du tissu comme électronique extensible pendant i, j flexion des bras et k, l marche.

De plus, nous avons intégré les fibres multifilaments conductrices dans des coudières et des genouillères commerciales par broderie, pour vérifier si la stabilité électrique est fiable sous de grandes déformations dans des mouvements humains réels. Les changements en temps réel de R/R0 de la coudière (Fig. 6i) équipé du \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy ou du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sont affichés sur la figure 6j. Le changement du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pad était négligeable alors que celui du \({{{\mathrm{PU}}}}_{0\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy pad a montré une bonne linéarité et répétabilité sous la flexion périodique du coude. Il n'y avait presque aucun changement dans la luminosité de la lumière LED sur la Fig. 6j en médaillon, confirmant la conductivité insensible à la contrainte des coudières équipées du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy. Comparé au coude, le genou a subi une plus grande contrainte pendant l'exercice, entraînant des changements évidents de résistance (Fig. 6k). Malgré cela, les genouillères équipées du \({{{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy ont toujours montré un comportement insensible exceptionnel ; et les lumières LED ont également montré une luminosité constamment visible pendant l'exercice (Fig. 6l et vidéo supplémentaire 7). Par conséquent, le multifilament PU conducteur avec la structure de flambage PPy en parallèle est un candidat solide pour construire des circuits électroniques dans des tissus électroniques extensibles et portables.

En résumé, nous avons conçu et produit un multifilament PU conducteur avec la structure de flambage PPy en parallèle par une méthode de pré-étirage et de polymérisation in situ. Le prétraitement du multifilament PU avec du PDA a amélioré la mouillabilité de sorte que le PPy puisse être polymérisé uniformément à la surface des monofilaments. La libération du pré-étirement après la polymérisation a généré une structure de PPy à flambage parallèle. En outre, l'ajout de NaSSA dans PPy peut améliorer l'extensibilité. Le multifilament hautement extensible \({{\mathrm{PU}}}}_{200\% }^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy présentait une conductivité initiale élevée (238,0 S m−1), un petit diamètre (0,21 mm), une valeur Q élevée (10,9) à 200 % de déformation et une réversibilité élevée de la réponse électrique dans une large plage de déformation jusqu'à 90 0 % de déformation (Q = 2,6). De plus, le multifilament peut être facilement intégré dans des textiles intelligents grâce aux technologies textiles existantes et maintenir son comportement hautement insensible à la tension pendant le mouvement robuste du corps humain. Ce multifilament conducteur présente donc un grand potentiel dans les appareils électriques portables.

Cette étude n'a pas généré de nouveaux réactifs uniques. Les multifilaments PU (40D, 140D, 210D, 420D, 840D) ont été achetés auprès de Jiaxing Xinhai Textile Co., Ltd. (Zhejiang, Chine). Le pyrrole (Py, 98+%, Alfa Aesar) a été acheté auprès de Shanghai Yishi Chemical Co., Ltd. (Shanghai, Chine). Py a été distillé deux fois sous pression réduite et stocké à 4 ° C dans l'obscurité avant utilisation. L'hexahydrate de trichlorure de fer (FeCl3·6H2O), l'éthanol anhydre, le tris(hydroxyméthyl)méthylaminométhane (>99%), le cyclohexane, l'acide chlorhydrique (HCl, chimiquement pur) ont été obtenus auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Chine). Le sulfosalicylate de sodium (NaSSA, Rhawn) et la dopamine (DA, Sigma) ont été fournis par Wendong (Shanghai) Chemical Co., Ltd. (Shanghai, Chine). Tous les produits chimiques étaient des réactifs analytiques et utilisés sans autre purification, sauf indication contraire.

Environ un mètre du multifilament PU sous étirement (0%, 50%, 100%, 200% ou 300%) a été immergé dans une solution DA (2 mg mL-1, tampon Tris-HCl 50 mM et pH 8, 5) pendant 5 min sous ultrasons puis mis à réagir pendant 8 h. Après lavage, il a été placé dans une boîte (diamètre : 90 mm) contenant une solution aqueuse de FeCl3·6H2O (0,36 M) et de NaSSA (0,36 M) (20 mL), puis congelé à -20 °C. Ensuite, du cyclohexane (19,5 ml) contenant du Py (0,5 ml) a été transféré sur le dessus de la solution ci-dessus. La polymérisation in situ a été maintenue pendant différents temps (6 h, 12 h, 18 h, 24 h ou 36 h) à 2 °C. En fin de polymérisation, le multifilament PU@PPy a été lavé plusieurs fois à l'éthanol anhydre puis à l'eau déminéralisée, suivi d'un lavage aux ultrasons dans l'eau pendant 5 min. Enfin, la contrainte du multifilament PU a été relâchée pour former le PU@PPy avec une structure de flambage. Le filament a été séché à température ambiante.

Les tissus tissés avec des filaments PET comme chaîne, PU et \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy comme trame ont été fabriqués par un métier à lances (ASL2300, Suzhou Shuohai Electromechanical Technology Co., Ltd., Suzhou, Chine). Des tissus tricotés en PU et \({{\mathrm{PU}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy filaments ont été fabriqués par une machine à tricoter circulaire (Biomedical Textiles Lab, Donghua University, Shanghai, Chine). Le tissu à broder est réalisé en cousant à la main le filament \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy sur un tissu tricoté.

La morphologie des échantillons a été observée par microscopie électronique à balayage (SEM, Hitachi SU8010, Tokyo, Japon) à une tension d'accélération de 5 kV. Avant l'observation, les spécimens ont été recouverts d'or (Hitachi Ion Sputter MC1000, Tokyo, Japon). La section transversale du multifilament a été obtenue en le cassant dans de l'azote liquide. Un microscope à force atomique (AFM, 5500AFM-SPM, Agilent, Californie, États-Unis) a ensuite été utilisé pour analyser les multifilaments en immobilisant l'échantillon sur une lame de verre avec du ruban adhésif double face. Des essais de traction in situ ont été effectués à l'aide du Phenom XL équipé d'un support de traction (Phenom XL, Phenom-Scientific, Shanghai, Chine).

L'aspect macroscopique du tissu a été obtenu par un microscope stéréoscopique (Nikon SMZ745T, Tokyo, Japon). Un spectromètre proche infrarouge à transformée de Fourier (FT-NIR, Antaris II, Thermofisher, Waltham, USA) en mode réflexion totale atténuée (ATR) a été utilisé pour caractériser la composition chimique des échantillons. La composition chimique de surface des échantillons a été étudiée par un spectromètre photoélectronique à rayons X (XPS, Escalab250xi, Thermofisher, Waltham, USA) avec un rayonnement Al Kα (λ = 8, 34 Å) comme source d'excitation. Les spectres Raman ont été collectés avec un microspectromètre Raman (inVia-Reflex, Renishaw, Gloucestershire, UK) équipé d'un laser He-Ne+ émettant à 633 nm.

Les propriétés mécaniques des films PPy d'une largeur de 5 mm ont été testées à l'aide d'un testeur de résistance à fibre unique (YG-001, Wenzhou Fangyuan Instrument Co., Ltd., Wenzhou, Chine) à une longueur de jauge de 10 mm et une vitesse de traverse de 10 mm min-1. Selon la théorie de la poutre en porte-à-faux, 20 mm d'un film PPy de 30 mm de long ont été étendus hors du bord d'une table pour former une poutre en porte-à-faux. L'angle formé entre le film suspendu et la surface de la table a été mesuré pour évaluer la flexibilité des films PPy. Les propriétés de traction du multifilament ont été étudiées à l'aide d'un testeur de résistance de fibre unique (LLY-06E, Laizhou Electron Instrument Co., Ltd., Laizhou, Chine) à une longueur de jauge de 5 mm et une vitesse de déformation de 50 mm min-1. Des feuilles de silicone rugueuses ont été fixées aux deux extrémités des filaments pour éviter tout glissement pendant le test. L'étirement cyclique du multifilament \({{{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy a été testé par un testeur élastique Spandex (XN-1A, Shanghai New Fiber Instrument Co., Ltd., Shanghai, Chine) à une distance de 50 mm et une vitesse de 100 mm min−1. Le diamètre des filaments a été mesuré avec un mesureur d'épaisseur de latex (CH-12.7-BTSX, Shanghai Liuling Instrument Factory, Shanghai, Chine). Tous les tests ont été effectués dans des conditions environnementales standard (20 ± 1 °C, HR 65 % ± 2 %), et au moins trois spécimens ont été testés pour chaque échantillon.

Pour le test de thermostabilité, environ 3 mg d'échantillons ont été chauffés de 50 à 800 °C à une vitesse de chauffage de 20 °C min-1 sous une atmosphère d'azote à l'aide d'un analyseur thermogravimétrique (TGA8000, Thermofisher, Waltham, USA).

Pour caractériser la lavabilité du multifilament \({{\mathrm{PU}}}}_y^{420{{{\mathrm{D}}}}}\) @PPy, des échantillons de 15 cm de long ont été agités dans de l'eau (40 °C) à une vitesse de 800 r min−1 pendant 20 min puis séchés à 60 °C.

Pour surveiller l'évolution de la résistance lors de la déformation, les deux extrémités du filament conducteur ou du tissu conducteur ont été reliées à un ruban de cuivre conducteur à l'aide d'une feuille de silicone rugueuse. Ensuite, le ruban de cuivre conducteur a été connecté à une unité de mesure de source (Keithley 2450, Tektronix, Cleveland, USA) pour surveiller le changement de résistance pendant la déformation. Ce travail ne concerne pas des individus vivants et n'inclut pas la collecte d'informations privées identifiables individuellement, par conséquent, l'approbation du Comité d'examen institutionnel n'était pas une condition préalable. Et nous avons obtenu le consentement éclairé de tous les participants.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs reconnaissent le soutien de la Natural Science Foundation of Shanghai (Grant No. 21ZR1401300), de la National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52005097), du Fundamental Research Funds for the Central Universities (2232022A-05), du Fundamental Research Funds for the Central Universities and Graduate Student Innovation Fund of Donghua University (CUSF-DH-D-2021022), du 11 1 projet (subvention n° BP0719035) et les fonds de recherche fondamentale pour le programme de jeunes professeurs émérites du DHU. L'assistance technique de Jing Lin, Bingjun Rao, Zhengwei Wang et Xiaoning Guan a été grandement appréciée.

Key Laboratory of Textile Science & Technology of Ministry of Education and College of Textiles, Donghua University, Shanghai, 201620, Chine

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

Laboratoire clé de l'industrie textile pour les matériaux et technologies textiles biomédicaux, Université de Donghua, Shanghai, 201620, Chine

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

Département de chirurgie, Faculté de médecine, Université Laval; Axe médecine régénératrice, Centre de recherche du CHU de Québec - Université Laval, Québec (QC), G1V 0A6, Canada

Ze Zhang

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LY et MJ ont conçu le projet ; LY, GY, Wei L. et SM ont effectué la préparation et la mesure des fibres extensibles ; LY, LL, ZQ, GL et WF ont aidé à l'analyse des résultats ; MJ et Wang L. ont supervisé le projet ; LY a rédigé le document avec le soutien de MJ et ZZ. Tous les auteurs ont contribué à la discussion générale.

Correspondance à Jifu Mao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Li, Y., Gao, Y., Lan, L. et al. Multifilament conducteur ultra-extensible et portable activé par une structure en polypyrrole bouclée en parallèle. npj Flex Electron 6, 42 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00176-6

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Reçu : 10 janvier 2022

Accepté : 19 mai 2022

Publié: 08 juin 2022

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

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