温度自适应三元组分动态协同策略实现高性能弹性导电纤维的极端环境应用

本文报道了一种基于湿法纺丝的弹性导电纤维(PUAL)，通过热塑性聚氨酯(TPU)、银片(AgFKs)和液态金属微球(LMMSs)的三元组分动态协同机制，实现了在-30°C至180°C宽温域内导电性能的自适应增强(25°C时1070 S cm-1，-30°C时1160 S cm-1，180°C时3020 S cm-1)。该纤维在80°C下经1000次60%应变循环后仍保持优异电稳定性，并成功应用于生物医学电极、耐高低温近场通信手套和智能消防服等电子纺织品，为极端环境下的可穿戴设备提供了创新解决方案。

　　

在智能穿戴和软体机器人快速发展的今天，电子纺织品(e-textiles)面临着一个核心矛盾：如何让刚性电子元件像织物一样柔软可拉伸？传统导电纤维各有局限——碳纤维导电性差(10^-10 S cm^-1)、金属纤维缺乏弹性(<2%)、水凝胶纤维环境稳定性差。更棘手的是，极端温度会进一步恶化这些材料的性能，制约其在极地科考、消防救援等特殊场景的应用。

针对这一挑战，上海交通大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，通过巧妙的材料设计和先进的纺丝工艺，开发出具有温度自适应特性的三元组分弹性导电纤维(PUAL)。这种纤维在承受剧烈温度变化和机械变形时，能像"智能皮肤"一样自动调节导电性能，为下一代电子纺织品提供了突破性解决方案。

研究团队采用湿法纺丝技术将热塑性聚氨酯(TPU)、银片(AgFKs)和液态金属微球(LMMSs)复合制备纤维。通过扫描电镜(SEM)观察填料排列，结合热机械分析(TMA)和动态力学分析(DMA)表征温度响应行为，利用原位拉伸测试评估电机械稳定性，并最终将纤维编织成功能纺织品进行应用验证。

【设计制备具有取向结构的PUAL纤维】
通过优化湿法纺丝参数(20 mL h^-1流速)，使二维银片在剪切流作用下定向排列，取向度达84%。这种结构使PUAL40纤维(含40μm LMMSs)导电性达1070 S cm^-1，远超随机分布薄膜(88 S cm^-1)。

【高温静态导电增强机制】
当温度升至180°C时，纤维导电性提升至3020 S cm^-1。研究发现这源于三重协同效应：热诱导银片去润滑(FTIR显示-OH峰减弱)、TPU链段运动促进填料重排，以及LMMSs破裂释放液态金属桥接银片。

【热机械激活的动态稳定性】
在80°C下进行180%应变循环拉伸时，纤维电阻变化率(ΔR/R₀)仅160%，远优于室温下的500%。这是因为热机械协同作用促使LMMSs持续破裂，动态修复导电通路。经过1000次60%应变循环后，1mm直径纤维的电阻变化率仅110%。

【低温性能自适应】
在-30°C时，TPU基体收缩使填料紧密排列，导电性提升至1160 S cm^-1。TMA显示该过程完全可逆，纤维截面面积从9.72×10⁴ μm²(25°C)收缩至9.58×10⁴ μm²(-30°C)。编织成加热织物后，可在-10°C下维持稳定电热性能。

【电子纺织品应用验证】
研究人员展示了三类创新应用：(1)医用绷带心电图电极，经100次机洗后仍保持1070 S cm^-1导电性；(2)近场通信(NFC)手套，在-30°C至570°C极端温度下正常工作；(3)智能消防服集成双模式传感纤维，可无线预警100°C以上高温环境。

这项研究突破了弹性导电纤维在极端环境下的性能瓶颈，提出的"冷/热拉伸激活三元动态协同"机制具有普适性，已在SEBS、SIS等弹性体体系中验证。长达60米的连续制备能力(直径350±15μm)和标准纺织加工兼容性，使其具备产业化潜力。特别是开发的温度自适应特性，为极地科考、航空航天等特殊场景的电子纺织品提供了创新解决方案，推动可穿戴设备向更智能、更可靠的方向发展。