可拉伸导电纤维兼有良好拉伸性和导电性，使其在柔性电子、智能纺织品等领域中有着广泛的应用前景。然而，如何规模化制备兼具高导电性和高弹性的可拉伸纤维仍极具挑战性。就制备技术而言，与需要苛刻条件的静电纺丝、湿法纺丝以及熔融纺丝不同，提拉纺丝可在环境条件下通过溶剂直接挥发固化收缩形成致密结构的超细纤维，近年来受到广泛关注。然而，根据Pouillet定律，纤维直径减小往往会导致电阻急剧增加，这极大限制了提拉纺丝纤维在智能感知等方面的应用。如何在保持较小直径的前提下，赋予提拉纺丝纤维良好的导电性成为一项亟待解决的问题。
基于以上背景，东华大学武培怡/孙胜童课题组联合武汉纺织大学王栋教授在前期工作基础上，开发了一步法提拉纺丝策略，可连续制备高导电、高回弹的离子液体凝胶纤维(图1)。作者通过在聚甲基丙烯酸(PMAA)和1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯(EMI ES)的混合水溶液中聚合丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA-Q)，利用水挥发诱导PMAA分子链氢键缔合形成纳米相分离结构。这一结构不仅提高了纤维的力学性能，还赋予纤维良好的熵回弹特性。该离子液体凝胶纤维表现出优异的拉伸性(伸长率~707%)、高透明度(~98%)、高回弹(~9%残余形变)、高离子电导率(0.12 S·m-1)以及一定的抗冻性能。
图1 提拉纺丝规模化制备离子液体凝胶纤维的示意图
纤维纺丝液在静置状态下为粘流态，而在短时剪切后切换为凝胶态。通过调整收集器转速，该离子液体凝胶纤维的直径可在145~200 μm范围内广泛可调(图2)。此外，该纤维高度透明，质地均匀，即使打结也不断开。
图2 纺丝液的流变行为以及纤维表面形貌
富含吸湿性成分的离子液体凝胶纤维在不同湿度环境下表现出显著区别的力学性能和离子电导率，这使得该纤维可对不同的湿气氛围表现出极为灵敏的实时电阻响应信号，并具有良好的循环可逆性(图3)。
图3 离子液体凝胶纤维的湿气敏感性
得益于良好的离子导电性和高回弹性，该凝胶纤维还可准确识别人体关节弯曲程度(图4)。此外，对较大应变100%以及较小应变5%，纤维均表现出良好的电阻灵敏响应和优异的循环稳定性。
图4 离子液体凝胶纤维的智能感知能力
上述工作以论文形式即将在《高分子学报》2024年“高分子优秀青年学者”专辑印刷出版，东华大学化学与化工学院博士生时英坤为论文第一作者，东华大学孙胜童研究员和武汉纺织大学王栋教授是论文的共同通讯作者。
引用本文：
时英坤，王栋，武培怡，孙胜童.提拉纺丝制备弹性离子液体凝胶纤维.高分子学报, 2024, 55(5), 573-581Shi, Y. K.; Wang, D.; Wu, P. Y.; Sun, S. T.Pultrusion spinning of elastic ionogel fibers. Acta Polymerica Sinica, 2024, 55(5), 573-581DOI: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23266
原文链接：https://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2023.23266&lang=zh
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