用于可穿戴设备的高稳定性聚酰亚胺-聚氨酯导电共聚物研究

《Results in Materials》：A highly stable PI-PU conductive copolymer for wearable

本研究针对可穿戴电子设备中导电材料在反复形变和洗涤条件下稳定性不足的问题，开发了一种新型聚酰亚胺-聚氨酯(PI-PU)共聚物导电浆料。通过将62 wt%银粉分散于PI-PU基体中，制备的导电线路电阻率低至3.5×10-5 Ω·cm，在20%拉伸形变后电阻变化率接近0%，经50次标准洗涤后电阻仍保持稳定。该材料兼具PI的耐热性和PU的弹性，为智能纺织品提供了可靠的导电解决方案。

　　

随着智能纺织品的快速发展，如何让电子元件像普通织物一样柔软、可拉伸且耐洗涤，成为制约该领域突破的关键瓶颈。传统导电材料往往面临两难选择：金属材料虽导电性好但缺乏弹性，高分子材料虽柔韧但导电性差。更棘手的是，日常使用中的反复拉伸和频繁洗涤容易导致导电线路断裂或性能衰减，使得许多智能服装难以实现商业化应用。

在这一背景下，台湾纺织研究所新兴科技研究部的周尚志、肖高智和黄侯盛团队在《Results in Materials》上发表了一项创新研究，他们巧妙地将两种性能迥异的高分子材料——刚性聚酰亚胺(PI)和弹性聚氨酯(PU)进行共聚，开发出一种新型导电材料，为解决上述难题提供了新思路。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过溶液聚合法合成PI-PU共聚物，利用高速真空脱泡混合器实现银粉的高效分散，采用自主设计的拉伸强度测试仪评估材料力学性能，并参照AATCC 135标准进行洗涤耐久性测试，系统评价了材料在形变和洗涤条件下的电稳定性。

3.1. Mechanical properties of PI-PU

研究表明，PI-PU共聚物成功结合了PI的耐热性、耐磨性和介电特性与PU的弹性优势。添加3 wt%三聚氰胺交联的M3.5样品表现出更高的拉伸强度(2.6±0.1 MPa)和模量(41.5±0.4 MPa)，而未交联的N3.5样品伸长率略优(5.9±0.6%)。这种力学性能的平衡设计为导电浆料提供了必要的机械支撑。

3.2. Elastic Recovery of PI-PU

弹性恢复测试结果显示，材料在低应变(9%)下30秒内恢复率达95%以上，即使在高应变(80%)条件下，1小时后仍能恢复93-94%。这种优异的形状记忆特性确保了导电线路在反复拉伸后能恢复原始状态，维持稳定的电学性能。

3.3. Elasticity and Resistivity of Conductive PI-PU

电学性能测试数据令人振奋：M3.5/Ag复合材料的电阻率低至3.5×10^-5 Ω·cm，且在20%拉伸形变后1、3、5分钟时的电阻变化率均为0%。相比之下，传统氯丁橡胶基导电材料的电阻变化率高达27%以上。PI-PU材料86-89的邵氏A硬度也远高于氯丁橡胶(50)，提供了更好的机械保护。

3.4. Laundering durability

洗涤耐久性实验表明，经过50次AATCC 135标准洗涤后，PI-PU/Ag在针织和机织物上的电阻仅从初始的2.0-2.8 Ω缓慢上升至5.1-5.5 Ω，而对照样品在20次洗涤后电阻就已急剧上升至14.96 Ω，证明PI-PU基材料具有显著优越的耐洗涤性能。

这项研究的创新之处在于通过分子设计实现了刚性PI链段与柔性PU链段的协同效应，既保持了导电通路的稳定性，又赋予了材料足够的柔韧性和耐久性。PI-PU/Ag导电浆料不仅电阻率低，更重要的是在形变和洗涤条件下表现出卓越的稳定性，为智能纺织品中可靠电路集成提供了理想解决方案。该材料有望应用于可穿戴传感器、互联线路和加热元件等领域，推动智能服装从概念走向实用化。相比传统材料，其优异的抗疲劳和耐洗涤性能将显著延长智能纺织品的使用寿命，具有重要的产业化前景。