通过调控PSS分子量提升湿法纺丝PEDOT:PSS导电纤维力学性能的分子工程研究

本研究针对PEDOT:PSS导电纤维拉伸强度与延展性受限的难题，通过调控聚苯乙烯磺酸（PSS）分子量（Mw），系统探究了PSS Mw对纤维加工性能与力学/电学性能的影响。研究发现，高Mw PSS（1000 kg mol?1）可显著提升纤维断裂伸长率（Ebreak达48.8%）和导电性（110 S·cm?1），为可穿戴电子器件开发提供了新材料设计策略。

　　

在柔性电子技术迅猛发展的今天，导电聚合物材料正成为替代传统金属导体的热门选择。其中，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)因其卓越的导电性和溶液加工性，在有机太阳能电池、健康监测传感器等领域大放异彩。然而，当科学家们试图将这种材料加工成纤维形态用于可穿戴电子器件时，却遭遇了严峻挑战——PEDOT:PSS纤维的拉伸强度不足、延展性差，难以满足实际应用需求。问题的根源在于其多级结构：分子尺度上PSS链的刚性骨架限制了形变能力，而介观尺度上颗粒状胶束的界面缺陷更易导致机械失效。

为攻克这一难题，台湾省的研究团队独辟蹊径，从调控PSS分子量(M_w)这一关键参数入手，在《European Polymer Journal》发表了创新性研究成果。他们发现，通过采用高分子量PSS（500和1000 kg mol^?1）制备的PEDOT:PSS₅₀₀和PEDOT:PSS₁₀₀₀纤维，其性能显著优于商用PH1000产品。这些高M_w纤维在60%相对湿度(RH)下，断裂伸长率从11.8%跃升至39.3%，拉伸强度同步提高至23.6 MPa；经DMSO/甘油处理后，电导率可达110 S·cm^?1，且在不同湿度环境下均保持优异机械性能。

研究团队运用紫外-可见-近红外光谱(UV-Vis-NIR)确认材料组成，通过流变学测试分析溶液加工性能，结合同步辐射技术解析微观结构，并系统评估了纤维的电学/力学性能。

材料表征揭示关键结构特征
UV-Vis-NIR光谱证实不同M_w的PEDOT:PSS具有相同的1:2.5重量比。流变测试显示高M_w PSS显著提升溶液粘度，改善纺丝性能。

加工性能与结构优化
高M_w PSS的链缠结效应促进纤维成形，剪切诱导的PEDOT晶体排列使未掺杂纤维电导率达0.4 S·cm^?1，较薄膜提升4倍。

力学性能突破
PEDOT:PSS₁₀₀₀纤维在80% RH下E_break达48.8%，20% RH下仍保持13.7%，证明高M_w PSS的链缠结可有效补偿环境湿度波动的影响。

电学性能保持
DMSO/甘油处理后，PEDOT:PSS₁₀₀₀电导率提升至110 S·cm^?1，且不牺牲机械性能，实现"双赢"。

这项研究首次阐明PSS分子量工程对PEDOT:PSS纤维性能的调控机制：高M_w PSS通过增加链缠结密度，既作为"分子桥梁"连接相邻胶束域，又通过减少链端缺陷提升机械强度。这种"分子尺度的结构工程"策略，为开发新一代可穿戴电子材料提供了普适性设计原则。特别值得注意的是，材料在宽湿度范围内的稳定性表现，使其在智能纺织品、柔性传感器等领域具有广阔应用前景。Hung-Chi Lo和Jie-Dong Hu等研究者的工作，不仅解决了PEDOT:PSS纤维的实际应用瓶颈，更为高分子导电材料的分子设计开辟了新思路。