在工業(yè)安全領(lǐng)域，設(shè)備過熱是引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故的核心隱患。當(dāng)前主流可逆熱致變色纖維（RTFs）因變色溫度閾值低（多低于100°C）和熱穩(wěn)定性差，難以滿足新能源設(shè)備、電子元件等中高溫場景（120–180°C）的實(shí)時溫度可視化預(yù)警需求。尤其如鋰電池?zé)崾Э厍埃裟茉跍囟韧黄婆R界點(diǎn)（T?）時發(fā)出視覺警報，將極大提升事故預(yù)防能力。然而，現(xiàn)有技術(shù)局限于低溫環(huán)境，開發(fā)兼具高溫穩(wěn)定性與顯著變色性能的RTFs成為工業(yè)安全生產(chǎn)的迫切挑戰(zhàn)。

針對這一難題，蘇州大學(xué)李戰(zhàn)雄教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出基于TiO?@AgI復(fù)合材料的可逆熱致變色有機(jī)硅纖維（TSIF）。該材料通過高溫空氣誘導(dǎo)交聯(lián)技術(shù)，將具有光穩(wěn)定性的TiO?@AgI納米復(fù)合物均勻分散于三元有機(jī)硅紡絲液中制備而成。其中最優(yōu)樣品TiO?@AgI1·1@SiF-2在135.4°C實(shí)現(xiàn)顯著的白-亮黃色變（色差ΔE=25.72），經(jīng)歷170次熱循環(huán)后仍保持變色性能，拉伸強(qiáng)度達(dá)9.89–11.33 MPa且500次拉伸無衰減。其優(yōu)異的生物相容性、抗菌性及耐酸堿性，為中高溫設(shè)備預(yù)警提供了全新解決方案。

材料設(shè)計(jì)與制備突破

團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)高溫空氣誘導(dǎo)交聯(lián)法制備TSIF（圖1a）。以含苯環(huán)的苯基乙烯基硅油（End-?PMPS?）為主體，添加15%側(cè)鏈乙烯基硅油（Side-?PMPS?）優(yōu)化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使拉伸強(qiáng)度提升十倍。鉑催化劑在高溫下激活硅氫加成反應(yīng)，221°C噴絲孔道中瞬時固化成型（圖1b）。所得纖維直徑均勻（300±14 μm），熱穩(wěn)定性卓越：初始分解溫度超400°C，5%質(zhì)量損失點(diǎn)達(dá)421.27°C（圖1c）。紅外光譜證實(shí)Si-CH=CH?特征峰消失，表明交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成（圖1d）。纖維可縫紉于織物，150°C下“SZDX”字樣由白變黃（圖1f），為智能紡織品應(yīng)用鋪路。

圖1. a) TSIF制備原理及查克-哈羅德理論； b) 自然光下TSIF的圖像與直徑； c) SiF、AgI@SiF和TSIF的熱重（TG）與微分熱重（DTG）曲線； d) SiF、AgI@SiF和TSIF的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）； e) TSIF的元素分布圖； f) TSIF縫制在織物上的圖案在常溫與中高溫下的對比。

變色機(jī)制與穩(wěn)定性革新

TiO?@AgI復(fù)合物是變色核心（圖2a-b）。原位XRD揭示：120–140°C時，AgI發(fā)生β→α相變（圖2d-e），引發(fā)帶隙從2.88 eV降至2.72 eV（圖2h），材料從反射可見光（白色）轉(zhuǎn)為選擇性吸收藍(lán)紫光（黃色）。TiO?的引入帶來兩大優(yōu)勢：一是納米尺寸效應(yīng)與界面作用顯著降低相變溫度（純AgI相變焓6.27 kJ·mol?1 → 復(fù)合物0.64 kJ·mol?1，圖2j）；二是形成異質(zhì)結(jié)抑制AgI光分解（圖2k）。純AgI紡絲液光照15分鐘即變黑，而復(fù)合物溶液保持穩(wěn)定，解決了銀鹽類材料的光敏感缺陷。

圖2. a) AgI、TiO?和TiO?@AgI1·1的紫外-可見漫反射光譜（UV-vis DRS）； b) TiO?@AgI1·1的X射線衍射（XRD）圖譜； d,e) TiO?@AgI1·1在不同溫度下的原位XRD圖譜； f) 純AgI與TiO?@AgI1·1的差示掃描量熱（DSC）曲線； g) 變色機(jī)制示意圖； h) TiO?@AgI1·1在不同溫度下的Tauc曲線； i) TiO?@AgI1·1的晶格間距與選區(qū)電子衍射（SAED）圖； j) TiO?@AgI1·1與AgI的相變焓（ΔH）； k) 純AgI與TiO?@AgI1·1紡絲液的穩(wěn)定性及AgI@SiF的變色情況。

力學(xué)性能與耐久性領(lǐng)先

TSIF兼具柔韌性與高強(qiáng)度（圖3a-e）：可打結(jié)、編織（疏水角138°），單纖維輕松提拉100g砝碼。正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化TiO?@AgI粒徑分布（圖3g-h），確定球磨速度為關(guān)鍵因素。添加2 wt% TiO?@AgI1·1時，顆粒均勻分散于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（圖3f），拉伸強(qiáng)度達(dá)0.92 cN·tex?1（圖3i-j）；增至4.5 wt%則出現(xiàn)團(tuán)聚，強(qiáng)度下降（圖3l）。循環(huán)拉伸測試顯示，500次100%伸長后強(qiáng)度保持率94.55%（圖3k），遠(yuǎn)超已報道的PDMS基纖維。

圖3. a) TSIF可打結(jié)、輕質(zhì)、易纏繞且低密度； b) TSIF的良好延展性； c) TSIF的可編織性及TSIF織物的疏水性測試； d) TSIF的負(fù)載能力； e) TSIF與碳纖維的導(dǎo)電性對比； f) TSIF內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖； g) 正交試驗(yàn)中TiO?@AgI1·1@SiF-2的拉伸強(qiáng)度； h) 試驗(yàn)3條件下TiO?@AgI1·1的粒徑分布； i) TiO?@AgI1·1添加量對纖維強(qiáng)度的影響； j) TiO?@AgI1·1@SiF-2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線； k) TiO?@AgI1·1@SiF-2的循環(huán)拉伸測試； l) TiO?@AgI1·1@SiF-2與TiO?@AgI1·1@SiF-4.5斷裂截面對比。

高溫預(yù)警性能卓越

TiO?@AgI1·1@SiF-2在20–150°C呈現(xiàn)最優(yōu)變色性能（ΔE=25.72，圖4a-b）。其熱導(dǎo)率達(dá)0.2054 W/(m·K)，170°C熱臺上21秒內(nèi)完成白→黃轉(zhuǎn)變（圖4c）。170次冷熱循環(huán)后仍保持變色能力（ΔE=15.56，圖4d-f）。循環(huán)后期出現(xiàn)粉色調(diào)偏移（圖4e），源于Ag納米粒子表面等離子共振效應(yīng)（圖4g），但未影響核心預(yù)警功能。材料對135–136°C閾值響應(yīng)誤差小于1°C（圖4h），可精準(zhǔn)定位異常熱源。

圖4. a,b) TiO?@AgI1·1添加量對纖維色差（ΔE）的影響； c) TiO?@AgI1·1@SiF-2的快速變色特性； d,e) TiO?@AgI1·1@SiF-2的循環(huán)變色性能及宏觀顏色對比； f) TiO?@AgI1·1@SiF-2在10次與170次循環(huán)后的ΔE對比； g) 銀納米粒子表面等離子體共振（SPR）示意圖； h) TiO?@AgI1·1@SiF-2的變色靈敏度測試結(jié)果。

安全性與應(yīng)用驗(yàn)證

TSIF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率達(dá)99.99%（圖5a-b），細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)生物安全性（圖5c-d）。在200°C高溫或酸/堿浸泡24小時后，機(jī)械性能保持98%（圖5e）。戶外曝曬15天顏色穩(wěn)定（圖5g），8天UV老化后仍具變色性，但效果減弱（圖5f）。模擬實(shí)驗(yàn)顯示（圖5h），該材料在設(shè)備溫度超過閾值時即時變黃，性能遠(yuǎn)超商用熱致變色聚酯（圖5i）——后者260°C熔化且耐化性差。

圖5. a) 不同濃度梯度的金黃色葡萄球菌（S. aureus）和大腸桿菌（E. coli）與TiO?@AgI1·1@SiF-2作用前后的菌落平板； b) TiO?@AgI1·1@SiF-2的抗菌機(jī)制示意圖； c) L929細(xì)胞存活率； d) L929細(xì)胞與不同濃度TiO?@AgI1·1@SiF-2提取液共培養(yǎng)12小時后的照片； e) TiO?@AgI1·1@SiF-2在不同溫度下的機(jī)械性能； f) 不同紫外線輻照時長下TiO?@AgI1·1@SiF-2的K/S值與CIE白度； g) 不同紫外線輻照時長下TiO?@AgI1·1@SiF-2的熱致變色性能及戶外存放15天后的變化； h) TiO?@AgI1·1@SiF-2的模擬應(yīng)用場景測試； i) TiO?@AgI1·1@SiF-2與商用熱致變色聚酯的各項(xiàng)性能對比。

結(jié)語

這項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)熱致變色纖維的溫度與穩(wěn)定性瓶頸，首創(chuàng)的TiO?@AgI1·1@SiF-2纖維在135°C觸發(fā)顯著可視化警報，耐170次熱循環(huán)、500次機(jī)械拉伸及嚴(yán)苛環(huán)境考驗(yàn)。其優(yōu)異的綜合性能為鋰電池、電力設(shè)備等中高溫場景提供了可靠的“溫度視覺哨兵”，有望顯著提升工業(yè)安全防護(hù)水平。未來通過優(yōu)化紫外穩(wěn)定性，將進(jìn)一步拓展其在戶外設(shè)備監(jiān)測中的應(yīng)用前景。

來源：高分子科學(xué)前沿

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