东华大学朱美芳院士、游正伟教授AM：新型弹性导电纤维实现高效能量收集与信息传输

弹性导电纤维因其优异的柔韧性、透气性和可集成性，在智能纺织品领域展现出广阔的应用前景，尤其在人体交互、健康监测和新能源等领域备受关注。然而，如何实现低成本、大规模、连续化生产兼具弹性、导电性、耐久性、抗蠕变和可回收性的纤维，仍是当前面临的主要挑战。传统的沉积与涂层技术虽能赋予纤维导电功能，但易出现涂层剥落和环境降解问题；湿法纺丝和干法纺丝则依赖大量有机溶剂，不仅工艺复杂、成本高，还存在环境污染风险。熔融纺丝虽具环保优势，却仅适用于线性热塑性聚合物，其结构本身难以耐受高温、蠕变和溶剂。尽管交联纤维在机械强度与稳定性方面表现优异，传统共价交联网络却无法实现熔融加工。近年来，基于动态共价键的纤维初步实现熔融纺丝制备，但尚未有成功制备出导电纤维的报道，且过程中仍无法摆脱有机溶剂的使用，限制了其绿色化与规模化发展。

针对上述难题，东华大学朱美芳院士、游正伟教授、孙巍博士合作提出了一种创新的解决方案。研究团队开发出一种具有高力学性能和优异再加工能力的共价交联聚氨酯材料，通过熔融纺丝技术成功制备出弹性导电纤维。该纤维不仅具备7.8 MPa的拉伸强度、53.5%的伸长率，还能在200℃高温和多种有机溶剂环境中保持稳定。将其集成于摩擦纳米发电机中，可用于信息传输任务。尤为引人注目的是，该纤维材料展现出负介电常数特性，通过独特的反向极化机制，将信号输出提升了十倍，为高性能摩擦纳米发电机的设计开辟了新路径。相关论文以“Melt Spinning Preparation of Conductive, Elastic, and Harsh Condition-Tolerant Covalently Cross-Linked Fibers for Triboelectric Nanogenerator”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先设计了基于可逆Diels-Alder反应的动态共价交联聚氨酯。该材料在加工温度下发生逆反应，交联网络释放小分子交联剂，削弱链间非共价作用，显著降低熔体粘度，使其适用于熔融纺丝；而在使用温度下，正反应占主导，材料恢复为稳定的共价交联结构，具备高强度、高弹性和耐溶剂性。整个合成过程无需溶剂参与，从单体到纤维的转化仅通过加热完成，实现了绿色、连续的制备流程。

图1. DAPU基弹性导电纤维在TENG中的设计、制备与应用 A) 动态共价交联DAPU的分子设计。 B) 从单体与填料至导电纤维与电子功能纺织品的制备流程示意图。 C) 三种TENG的电荷分布、电荷密度与极化模式示意图。

通过对四种不同交联密度的DAPU进行性能评估，研究人员发现随着交联度提升，材料的力学性能显著增强，其中DAPU-4的拉伸强度达37.2 MPa，韧性为115.4 MJ/m³。流变测试表明，材料在138℃发生固-液转变，适用于熔融加工。此外，DAPU-4在DMF中室温下稳定不溶，高温下可逆解交联并溶解，去除溶剂后又能恢复交联结构，展现出优异的动态性能与再加工能力。循环拉伸与高低温冲击实验进一步验证了其良好的弹性回复与结构稳定性。

图2. 导电DAPU的合成过程与性能 A) DAPU的合成过程示意图。 B) 四种DAPU的典型拉伸应力-应变曲线。 C) 四种DAPU的复数粘度随温度变化曲线。 D) DAPU-4的储能模量与损耗模量随温度变化曲线。 E) DAPU-4在DMF中不同温度下的状态照片（80°C以下溶胀不溶，130°C溶解，去除溶剂后恢复为交联DAPU）。 F) 导电DAPU在原始、折叠与扭曲状态下的照片。 G) 导电DAPU在无间歇条件下应变逐步增加的循环拉伸曲线。 H) 导电DAPU的再加工过程示意图。 I) 原始与再加工后导电DAPU的拉伸应力-应变曲线对比。 J) 原始与再加工后导电DAPU的电导率对比。

为赋予材料导电性，研究团队将DAPU-4与多级微纳米导电填料——包括一维多壁碳纳米管、二维银纳米片和零维碳黑——通过熔融共混复合。这些填料在聚合物基体中构建了高效导电网络，当填料含量达到36%时，材料电导率跃升至1.56 mS/cm，并出现负介电行为。通过优化混炼时间，实现了填料均匀分散，确保了材料性能的一致性。所制得的导电DAPU具有良好的柔韧性、抗疲劳性和再加工性，即使经过三次回收再加工，其电导率与力学性能仍保持稳定。

随后，团队通过熔融纺丝将导电DAPU加工成连续纤维。尽管高填料含量略微影响加工性能，纤维仍成功挤出并表现出优异的综合性能：拉伸强度7.8 MPa，断裂伸长率53.5%，且具备均匀的力学与电学性能。纤维在循环拉伸中电阻先降后稳，显示出应变增强的导电行为。此外，纤维在THF中不溶解，在200℃高温下不熔融，其耐溶剂与耐高温性能显著优于传统线性聚氨酯纤维。

图3. 导电DAPU纤维的制备与性能 A) 导电DAPU纤维的制备流程示意图。 B) 由导电DAPU纤维与LED组成的电路照片。 C) 导电DAPU纤维的典型拉伸应力-应变曲线。 D) 导电DAPU纤维在50%应变下的循环拉伸曲线。 E) 导电DAPU纤维（左）与线性结构聚氨酯纤维（右）在THF中浸泡20分钟后的耐溶剂性对比。 F) 导电DAPU的储能模量与损耗模量随温度变化曲线。 G) 导电DAPU的复数粘度随温度变化曲线。 H) 导电DAPU纤维在200°C加热20分钟后的照片。 I) 导电DAPU纤维的SEM图像：（1）打结纤维表面（15倍）；（2）纤维横截面（150倍）；（3）纤维横截面（2万倍）；（4）横截面元素分布图。

将导电纤维编织成织物后，研究人员构建了纺织品基摩擦纳米发电机。该器件采用三明治结构，以导电织物作为正电层，聚合物膜作为负电层，通过接触-分离机制产生电信号。由于负介电常数效应，TENG的输出电压、电流和电荷量均提升十倍，其中PTFE基器件的Voc达53.21 V，Isc为2.16 μA，Qsc为21.80 nC。器件在不同频率、多次循环及恶劣环境（如溶剂浸泡、高温处理）下均保持稳定输出，展现出优异的可靠性。

图4. 基于导电DAPU纤维的T-TENG及其性能 A) T-TENG的三明治结构示意图。 B) 不同DAPU的介电常数及其输出性能。 C) T-TENG的开路电压。 D) T-TENG的短路电流。 E) T-TENG的转移电荷量。 F) 不同频率下T-TENG的开路电压。 G) T-TENG在多次循环中的耐久性及局部放大数据。 H) 经不同条件处理后T-TENG的开路电压。

在应用层面，该TENG被用于自供电传感与通信系统。通过敲击器件产生莫尔斯码信号，成功实现了“SOS”、“SICK”等信息的传输，展现了其在辅助通信与隐蔽传输方面的潜力。此外，基于不同聚合物膜与TENG相互作用所产生的电压差异，结合支持向量机算法，研究团队实现了对PI、PDMS和PTFE三种材料的高精度识别，分类准确率达100%，显示出其在实时材料识别领域的应用前景。

图5. T-TENG在莫尔斯码传输与实时材料识别中的应用 A) 患者使用莫尔斯码进行通信的示意图。 B) 莫尔斯码对应表与长短音对比图。 C–E) 使用T-TENG传输“SOS”、“SICK”与“HELP”信号。 F) 实时材料识别系统示意图。 G) 基于不同聚合物膜的T-TENG开路电压相对值比较。 H) 三种聚合物膜的实际类别与预测标签对比。

综上所述，本研究通过动态共价交联聚氨酯与多级导电填料的协同设计，成功开发出一种具有高强度、高弹性、耐高温、耐溶剂的弹性导电纤维，其制备过程绿色、连续，适于规模化生产。该纤维在摩擦纳米发电机中的应用不仅显著提升了能量收集与信号输出效率，还拓展了其在智能穿戴、人机交互与极端环境电子设备中的潜力，为下一代柔性电子与智能纺织品的发展提供了重要技术支撑。