北京化工大学张好斌教授AFM：动态适应性褶皱结构实现聚合物复合纤维的智能电磁屏蔽调控

  柔性动态自适应导电复合纤维在功能织物和可穿戴器件等方面有广泛应用，然而聚合物和功能纳米材料间的弱界面易影响材料稳定性，难以满足在复杂动态场景的应用需求。因此，研究人员试图通过同轴纺丝技术或表面负载等方式来解决这一难题。然而，受限于纤维的空间维度、单一的结构特点和惰性的基体表面等原因，仍然难实现灵活的宏观性能调控和良好的界面牢度，极大地阻碍了聚合物导电纤维向连续化、智能化和实用化方向的发展。

  受自褶皱生物材料的启发，北京化工大学张好斌教授团队提出了在聚合物纤维基体表面构建多级褶皱结构来增强复合纤维的界面相互作用的新方法，并通过合理地优化褶皱结构来实现宏观性能的智能调控。具体来说，该团队基于泊松效应和模量失配的理论基础，报道了一种通用、高效、连续化的技术路线，设计并制备了具有褶皱结构的导电复合纤维（图1）。由湿法纺丝得到的再生丝素蛋白（RSF）纤维经过表面改性后，形成的丰富极性端基和表面电荷能确保其与二维无机纳米片（MXene、GO等）有效地结合。干燥时水分的脱除驱动预拉伸复合纤维沿轴向和周向蠕动收缩，形成了多级褶皱结构的导电网络。在成型的过程中，除了纳米片层与纤维基体之间有的氢键、静电力和毛细力等相互作用外，互锁的褶皱结构也提供了大量受力点和接触面积，可以有明显效果地地避免导电材料的脱落。此外，该策略能够广泛地适用于多种聚合物基体、表面改性剂和二维纳米材料。

  凝胶态的RSF纤维基体与二维无机纳米片存在的较大模量差异是褶皱产生的重要的因素之。因此，通过调整成型参数（如预拉伸比例、改性效果和负载浓度等）可以诱导形成不同的褶皱结构，从而对复合纤维的导电、电磁屏蔽以及能量存储等性能进行相对有效的调控（图2）。

  相比于经直接凝胶化-干燥得到的RSF纤维，预拉伸处理和二维纳米片的组装促进了丝素蛋白的构象转变和纤维取向，从而有效提升了复合纤维的综合力学性能（图3a）。此外，于传统型表面负载方式得到的复合纤维而言，当其收到外部作用力载荷或超声处理后，外层的二维纳米片易遭到破坏从而造成性能衰减（图3d）。然而，褶皱结构的存在强化了复合纤维的界面相互作用，维持了结构的稳定性。纤维的电阻稳定性与褶皱程度成正比，即表面粗糙度越大，经循环拉伸后的电阻变化越小（图3b-c）。

  由于纤维基体中亲水性氨基酸的存在，复合纤维具备一定水汽捕获能力，在不同的湿气环境下可以发生快速吸水和脱水效应。吸收水汽而膨胀的纤维基体能够“打开”屈曲收缩的褶皱，导电纳米片之间骤减的接触位点造成纤维电阻的显著上升（ΔR/R≈427%）（图4a, 4d）；然而，随着基体中水分的脱除，模量失配效应驱动二维纳米片再次收缩恢复至先前的褶皱状态，纤维电阻也下降至先前水平（图4c）。基于此，动态适应性的褶皱结构实现了聚合物导电复合纤维的智能电磁屏蔽调控（12~32 dB），并表现出优异的循环稳定性（图4b, 4e）。该工作为聚合物功能复合纤维的连续化制备及其柔性在可穿戴器件和动态电磁屏蔽功能织物等领域的应用提供新路线。

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