彈性與導(dǎo)電的博弈

智能紡織品的核心難題在于導(dǎo)電材料與彈性基質(zhì)的性能沖突。傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維（如碳納米管、石墨烯或金屬涂層纖維）因高模量難以匹配可拉伸基材的形變需求；液態(tài)金屬（LM）雖具流動(dòng)性，卻在拉伸中易產(chǎn)生脫濕效應(yīng)，形成液滴導(dǎo)致導(dǎo)電通路斷裂與泄漏。這一矛盾嚴(yán)重制約了電子紡織品在劇烈機(jī)械變形下的穩(wěn)定應(yīng)用。

技術(shù)突破：三維粘附通道策略

東華大學(xué)覃小紅教授、季東曉研究員團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新性“粘附通道策略”，通過(guò)銀納米顆粒（Ag NPs）與微纖維毛細(xì)效應(yīng)的協(xié)同作用，首次實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬在紗線表面的三維可控流動(dòng)。該技術(shù)制備的SLMAS紗線初始電阻低至0.082 Ω/cm，在600%極限應(yīng)變下電阻變化率（ΔR/R?）僅0.703，同時(shí)耐受扭曲、彎曲、水洗及5000次拉伸循環(huán)。通過(guò)功能化改性，該紗線還可實(shí)現(xiàn)智能調(diào)溫與電致變色。

層狀組裝工藝

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)四步工藝構(gòu)建動(dòng)態(tài)粘附通道：首先，采用共軛電紡技術(shù)將聚苯乙烯-丁二烯（SBS）微纖維（直徑1.483 μm）包裹聚氨酯（PU）紗線，形成三維微通道基材；其次，通過(guò)三氟乙酸銀溶液浸漬與還原反應(yīng)，在微纖維表面嵌入銀納米顆粒（直徑139-241 nm可調(diào)），使LM接觸角從115.78°降至28.5°，實(shí)現(xiàn)超潤(rùn)濕效應(yīng)；隨后，LM在毛細(xì)作用下滲入銀改性通道，通過(guò)銦-銀金屬鍵（形成Ag?In?與AgIn?相）與基材牢固結(jié)合；最后，外層電紡疏水SBS微纖維封裝防止泄漏。XRD圖譜與SEM成像證實(shí)了金屬鍵合與LM的穩(wěn)定滲透結(jié)構(gòu)（圖1b-h）。

圖1：SBS/LM/Ag-SBS (SLMAS) 紗線的制備與表征 a. SLMAS紗線制備示意圖：四步工藝包括電紡微纖維構(gòu)建通道（SBS-PU紗線）、微通道表面生長(zhǎng)銀粘附層（Ag-SBS紗線）、吸附液態(tài)金屬（LMAS紗線）、疏水SBS微纖維封裝（SLMAS紗線）。 b-e. 各制備階段紗線表面的SEM圖像（右上角比例尺：10 μm）： b: SBS-PU紗線的三維微通道結(jié)構(gòu)；c: 生長(zhǎng)銀層后的Ag-SBS紗線；d: 吸附LM后的LMAS紗線；e: 封裝后的SLMAS紗線；f. SLMAS紗線（紅線）與Ag-SBS紗線（藍(lán)線）的XRD譜圖：LM與銀形成Ag?In?和AgIn?金屬間化合物。 g. 不同銀前驅(qū)體濃度（0 wt% vs 10 wt%）處理的SBS-PU紗線SEM圖及對(duì)應(yīng)LM接觸角。 h. LM滲入纖維通道并維持粘附的機(jī)理示意圖。 i-l. SLMAS紗線在初始、纏繞、打結(jié)和拉伸（約550%應(yīng)變）狀態(tài)的光學(xué)照片。

應(yīng)變不敏感機(jī)制

當(dāng)LM負(fù)載量達(dá)6.88 mg/cm時(shí)，紗線在600%應(yīng)變下電阻變化率（0.703）顯著低于理論預(yù)測(cè)值（ΔR/R?=(1+ε)2-1）。SEM顯示：低負(fù)載量（1.00 mg/cm）時(shí)LM僅包覆單根纖維；中負(fù)載量（3.03 mg/cm）填充表面孔隙；高負(fù)載量時(shí)LM深入纖維孔隙。拉伸至350%應(yīng)變時(shí)，LM與微纖維協(xié)同變形，金屬鍵動(dòng)態(tài)重組維持導(dǎo)電通路連續(xù)（圖2d-f）。

圖2：粘附通道實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬與纖維的協(xié)同變形 a. Ag-SBS紗線與不同LM負(fù)載量SLMAS紗線的初始電阻對(duì)比（SLM?.??AS、SLM?.??AS、SLM?.??AS分別對(duì)應(yīng)LM負(fù)載量1.00、3.03、6.88 mg/cm）。 b. 不同LM負(fù)載量SLMAS紗線拉伸時(shí)的電阻變化。 c. SLMAS紗線拉伸時(shí)的電阻變化（LM負(fù)載量6.88 mg/cm）及塊狀導(dǎo)體理論預(yù)測(cè)（虛線）。 d. 不同LM負(fù)載量LMAS紗線初始狀態(tài)的SEM圖。 e. 不同LM負(fù)載量LMAS紗線在350%應(yīng)變下的SEM圖。 f. 拉伸過(guò)程中金屬鍵形成粘附通道調(diào)控LM流動(dòng)的示意圖。

極端環(huán)境可靠性

該紗線展現(xiàn)出全方位穩(wěn)定性：連接LED屏幕可在550%拉伸中持續(xù)工作；扭曲、彎曲、按壓時(shí)電阻波動(dòng)＜10%；500%應(yīng)變下循環(huán)5000次電阻幾乎不變，連續(xù)77.5小時(shí)極端變形后電學(xué)性能穩(wěn)定；疏水封裝層確保12小時(shí)水洗后電阻僅增0.05 Ω。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)LM或銀納米顆粒的對(duì)照組在拉伸中出現(xiàn)電阻劇增，凸顯本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性（圖3a-g）。

圖3：電學(xué)與機(jī)械性能表征 a. 連接SLMAS紗線的LED屏幕在初始狀態(tài)（左）和拉伸狀態(tài)（右，~550%應(yīng)變）的光學(xué)照片。 b. SBS-PU紗線、Ag-SBS紗線、LM/Ag-SBS紗線及SLMAS紗線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 c-e. SLMAS紗線在扭曲、彎曲和按壓下的電阻變化。 f. SLMAS紗線水洗12小時(shí)后的電阻變化。 g. SLMAS紗線在200%和500%應(yīng)變下的循環(huán)拉伸電阻穩(wěn)定性。 h. 不同方法制備的LM基導(dǎo)電紗線在大變形下的品質(zhì)因子Q值對(duì)比。

精準(zhǔn)溫控應(yīng)用

基于超高導(dǎo)電性（R2≥0.990），紗線實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)焦耳加熱：1.0 V電壓下，溫度隨LM負(fù)載量從86.4°C（1.00 mg/cm）升至122.7°C（6.88 mg/cm）；100%應(yīng)變時(shí)溫度波動(dòng)僅5.4%；0.4 V電壓循環(huán)開關(guān)100次，30秒內(nèi)升溫至50°C，30秒冷卻至32°C，展現(xiàn)快速穩(wěn)定的電熱轉(zhuǎn)換性能（圖4a-f）。

圖4：焦耳熱性能 a. 不同LM負(fù)載量SLMAS紗線的電流-電壓線性曲線。 b. 不同LM負(fù)載量SLMAS紗線在輸入電壓（0.2–1.0 V）下的表面溫度變化（紗線長(zhǎng)度：15 cm）。 c. 不同LM負(fù)載量SLMAS紗線的溫度-電壓平方（T-U2）關(guān)系曲線。 d. SLMAS紗線拉伸過(guò)程中的溫度變化。 e. 電壓開關(guān)循環(huán)（0 ? 0.4 V，100次）的溫度變化。 f. 單次開關(guān)循環(huán)的溫度變化細(xì)節(jié)（e圖虛線框放大）。

圖5：智能變色織物

通過(guò)在外層電紡纖維摻雜熱致變色微膠囊（變色溫度35–60°C），團(tuán)隊(duì)開發(fā)出電致變色紗線：施加0.4-0.6 V電壓，織物圖案（如“LMY”字母）從淺紫/淺綠/淺粉變?yōu)樯钌?50%應(yīng)變下仍均勻變色；電壓開關(guān)100次循環(huán)后色彩穩(wěn)定性＞99%，為可穿戴動(dòng)態(tài)顯示提供新方案（圖5a-d）。

圖5：電致變色性能表征 a. 電致變色紗線制備示意圖：將熱致變色微膠囊摻入SBS聚合物，電紡至LMAS紗線外層。 b. 紗線編織成"LMY"字樣的織物在電壓開關(guān)下的光學(xué)照片（比例尺：10 mm）。 c. 電壓開關(guān)循環(huán)（100次）的色調(diào)值變化。 d. 電致變色紗線拉伸時(shí)的變色過(guò)程： (I) 關(guān)電壓（紫色）； (II) 開電壓（白色）； (III-V) 開電壓下拉伸至650%應(yīng)變（保持白色）

重新定義智能穿戴

該技術(shù)通過(guò)金屬鍵合與毛細(xì)效應(yīng)的分子級(jí)協(xié)同，破解了液態(tài)金屬與彈性纖維的形變失配難題，為智能紡織品提供了通用化平臺(tái)。研究者指出，此策略將推動(dòng)可拉伸電路、自適應(yīng)溫控服裝及動(dòng)態(tài)顯示織物的商業(yè)化進(jìn)程，加速下一代可穿戴設(shè)備的革新。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>