Review: Highly Conductive Self-Doped Poly Fibers Fabricated by One-Step Wet-Spinning
C.Y. Lu cylu.star@gmail.com
2025-07-07
Highly Conductive Self-Doped Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Fibers Fabricated by One-Step Wet-Spinning
高導電自摻雜 PEDOT 纖維的一步濕法紡絲製備法
作者：
Sadayoshi Hayashi（山梨大學、TOSOH）, Ayana Tomioka（山梨大學）,Yuxin Jing（山梨大學）,Hirokazu Yano（TOSOH）,Hidenori Okuzaki（山梨大學）
出版資訊：Journal of Fiber Science and Technology, Vol.80, No.6, 2024
摘要
本研究首次報導可完全溶解之自摻雜導電聚合物 S-PEDOT 的纖維化技術，透過單步濕式紡絲法（wet-spinning）於不同濃度條件下製備出直徑 13–53 µm 的導電纖維，且在未添加任何二次摻雜劑與後處理的情況下，導電率高達 1450 S/cm，超越現有 PEDOT:PSS 導電纖維性能。研究強調聚合物鏈在纖維軸向的取向性為其高導電性與高機械強度的關鍵，顯示出 S-PEDOT 在可穿戴電子與智慧紡織應用中的巨大潛力。
主要貢獻
項目 | 說明 |
|---|---|
首創單步濕式紡絲製程 | 無需後續酸洗或添加劑，即可直接形成高導電纖維，具備製程簡化與產業化潛力。 |
導電性達 1450 S/cm | 超越已知 PEDOT:PSS 導電極限，並優於薄膜狀態之 S-PEDOT（946 S/cm）。 |
結構取向性與性能提升 | 結晶性與鏈取向度（Π = 72%）帶來更佳機械強度（297 MPa）與導電性。 |
可用於電子紡織實例 | 成功點亮 LED 並達成 7000 A/cm² 電流密度，展示實際應用潛力。 |
數據來源
- SEM：分析纖維表面與直徑（13–53 µm）[[Fig.3 SEM micrographs of S-PEDOT fibers spun from S-PEDOT aqueous solutions with different concentrations (C).]]
- XRD：比較薄膜與纖維的結晶性與分子鏈取向[[Fig.5 XRD patterns and β-I profiles of the S-PEDOT cast film and fiber wet-spun at C = 1.5 wt%.]]
- 四點探針：測量電阻與導電率（最高 1450 S/cm）[[Fig.4 Changes in diameter, resistance, and electrical conductivity of S-PEDOT fibers fabricated by wet-spinning S-PEDOT aqueous solutions at different C.]]
- 拉伸測試：彈性模數提升至 4.0 GPa，延伸率達 8.4%[[Fig.6 Stress-strain curves of the S-PEDOT cast film and fiber wet-spun at C = 1.5 wt%.]]
研究方法
方法 | 說明 |
|---|---|
單體合成與氧化聚合 | 以具磺酸鈉側鏈之 EDOT 衍生物進行化學聚合，生成完全可溶之 S-PEDOT。 |
濕式紡絲製程 | 將水溶液從針筒中擠壓至丙腈凝固槽中形成纖維，濃度控制為 1–3 wt%。[[Fig.2 Photograph of wet-spinning of a S-PEDOT fiber...]] |
電性與結構測試 | 使用 XRD、SEM、電性量測與機械拉伸實驗評估性能表現。 |
結果
結論 | 詳細說明 |
|---|---|
最佳導電性出現在 1.5 wt% | 導電率為 1450 S/cm，優於薄膜與過去 PEDOT:PSS 水準。[[Fig.4]] |
高鏈取向度（Π = 72%） | XRD 顯示清楚的晶面排列與等強度區域，反映分子鏈沿軸取向[[Fig.5]]。 |
優異機械性能 | 纖維拉伸強度達 297 MPa，為薄膜的 11 倍以上，並具較高延展性[[Fig.6]]。 |
可即時應用於導線與 LED 驅動電路 | 展現 7000 A/cm² 的高電流密度，為智慧紡織提供可能解方[[Fig.7 The electric circuit of light emitting diode (LED) using the S-PEDOT fiber...]]。 |
SELFTRON® 與 S-PEDOT 纖維比較
| 項目 | S-PEDOT 纖維（本研究, 2024） | SELFTRON® 薄膜（TOSOH, 2020） | 差異說明 |
|---|---|---|---|
| 導電性 | 1450 S/cm | 1089 S/cm | 本研究纖維導電性更高，兩者皆為無需後處理之自摻雜材料 |
| 成型方式 | 單步濕法紡絲（Wet-spinning） | 溶液塗佈（Casting/Spin coating） | S-PEDOT 適用於電子紡織與導線應用，SELFTRON 適用於均質薄膜 |
| 機械強度 | 297 MPa（纖維） | 未公開 | S-PEDOT 展現出優異的拉伸強度，適合動態應用環境 |
| 鏈取向／結晶度 | 高鏈取向（Π = 72%） | 結晶度中等（Xc = 72%） | S-PEDOT 具更強分子鏈排列與電子傳導方向性，但兩者參數類型不同不可直接比較 |
| 製程複雜度與穩定性 | 無需二次摻雜與後處理 | 無需二次摻雜，反應條件需控制酸性與時間 | SELFTRON® 的製程已進入商品化階段，具成熟穩定的量產經驗 |
| 產業化潛力與現況 | 學術研究階段（尚未商品化） | 已商業化產品，應用於 OLED、感測器、透明電極等 | ✅ SELFTRON® 更接近、甚至已實現產業化條件 |
結論
本研究展現了自摻雜型 S-PEDOT 材料在纖維化應用上的關鍵突破，尤其透過單一步驟即實現高導電與高機械強度的紡絲纖維，未來可望取代 PEDOT:PSS 與 ITO 等傳統材料，應用於可穿戴設備、智慧紡織、電子皮膚與醫療監測裝置。此技術若進一步擴展至 roll-to-roll 製程與多孔結構開發，將大幅推動導電高分子材料在產業界的實用化進程。