聚合物液晶复合材料出现在现代电子显示器和传感器中。其中，电纺聚合物液晶芯-鞘纤维由于其高柔性和大表面积，在可穿戴传感器和自适应纺织品等领域应用前景广阔。然而，当前的聚合物液晶纤维只能在很窄的范围内检测，并且显示出较差的耐热性。

图1：图形摘要

近日，哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队和新加坡国立大学楊昆霖教授团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，联合发表了最新研究成果“Electrospun Core-Sheath Fibers with a Uniformly Aligned Polymer Network Liquid Crystal (PNLC)”。研究者通过同轴静电纺丝和紫外交联工艺，制备出形貌均匀、取向高度一致的聚合物网络液晶（PNLC）电纺芯-鞘纤维。与传统小分子量液晶芯的聚合物液晶纤维相比，所得PNLC纤维表现出更宽的相变区间，可用于温度和挥发性有机化合物的检测。

此外，相比于传统聚合物液晶纤维，该纤维还具有优异的热稳定性和化学耐性，这得益于将反应性介晶单体引入到了纤维鞘层中，在紫外交联过程中，反应性介晶在鞘层中发生了共聚作用。此外，所得聚合物液晶纤维显示出较好的机械强度和优异的柔韧性。上述优点使得该纤维在温度、化学和生物传感中具有潜在的应用前景。

图2：反应性介晶单体（RM）对电纺纤维形貌的影响。

如图2所示，通过调整反应性介晶单体在纺丝液中的参数，纺制了形貌高度均匀的聚合物液晶纤维，纤维具备完好的芯-鞘结构。这主要是由于电纺过程中芯液与鞘液的表面张力达到平衡。所制备纤维的平均直径为3.2 ± 0.5 μm。这些纤维也可以收集在一起，形成一块高度柔软的无纺布。该纤维具备的高柔性使其在可穿戴技术领域具有应用潜力。

图3：紫外曝光对电纺纤维相变温度的影响。未经紫外交联的纤维在（a）室温（b）36.5 ℃（c）50 ℃（d）降回室温条件下；紫外交联的纤维在（e）室温（f）44.5 ℃（g）50 ℃（h）200 ℃（i）降回室温条件下。

将电纺纤维暴露于紫外，以交联纤芯内的反应性介晶。如图3所示，样品的双折射随着温度的升高而逐渐降低，表明介晶在加热时进入各向同性态。紫外曝光后的样品具有44.5 ℃至200 ℃的宽相变温度区间（155.5 ℃）。相比之下，没有紫外曝光的样品只具有36.5 ℃至50 ℃的窄相变温度区间（13.5 ℃）。显然，在紫外曝光后，反应性介晶聚合并在纤维中形成网络，从而稳定了纤芯中的小分子量液晶和反应性介晶单体上的介晶单元，使它们难以进入各项同性态。此外，这种宽的相变温度区间可以通过调整纺丝参数和紫外曝光时间来控制。

图4：PNLC电纺纤维的化学耐性及挥发性有机化合物传感。

所制PNLC纤维具有良好的耐温性能，可达到200 ℃以上，同时该纤维具有可逆的热-光响应特性，响应速度< 10s，该纤维可以作为宽范围的温度传感器。将PNLC纤维暴露于乙醇和甲苯的过程中可以保持形貌不被破坏（图4）。乙醇导致纤维溶胀发亮，而甲苯导致纤维中介晶分子可逆的进入各项同性(< 25s)。因此纤维还具备了挥发性有机化合物传感的潜力。纤维热稳定性和化学耐性的提升很可能是紫外曝光下鞘层中的反应性介晶发生了共聚作用。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c23065

人物简介：

第一作者介绍

张智博，哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所在读博士生，2021年7月赴新加坡国立大学进行联合培养。主要从事液晶基光电薄膜、传感器及弹性体的研究工作。博士期间发表学术论文6篇，授权发明专利3项。

通讯作者介绍

朱嘉琦，哈尔滨工业大学航天学院教授、博导，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金，万人计划领军人才，科技部重点专项、装备发展部领域专家，科工局科技创新领域专家，国防科技创新团队带头人，高效焊接新技术国家工程研究中心副主任。主要从事金刚石晶体材料、透明件材料以及高导热复合材料等研究，担任中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国材料研究学会极端材料与器件分会副主任，中国仪表材料学会副理事长, Functional Diamond、Surface Science and Technology副主编，表面技术、人工晶体学报、中国表面工程、低温与真空、功能材料、材料科学与工艺、航空制造技术等杂志编委，获得中国青年科技奖、省青年五四奖章等荣誉，获国家技术发明奖二等奖1项，国家专利金奖1项，省部级一等奖3项。以负责人承担国家自然科学基金6项（含重点1项）、重点研发计划项目2项、国防基础科研3项、预研计划7项、军品配套3项等科研项目。成果已应用于多种重点型号，并实现产业化。获授权发明专利82项(转让21项)，在SCIENCE, ADVANCED MATERIALS等知名刊物发表200余篇学术论文，出版学术专著2部，译著1部。

楊昆霖，副教授，新加坡国立大学化学与生物分子工程系。威斯康星大学麦迪逊分校化学和生物分子系博士后研究员。2002年获得佐治亚理工学院博士学位。2009年获得国防创新研究计划奖。2006年、2008年和2015年，因在微流控-液晶传感器方面的工作获得了A*Star研究资助奖。因固态发酵技术获得TechConnect奖。研究领域包括生物传感器、液晶、微流控技术和分子微生物。楊昆霖博士是多个教学奖项获得者，包括2013年、2014年和2015年新加坡国立大学年度优秀教学奖。