DOI: 10.1021/acsami.2c23065

电纺聚合物-液晶（PLC）纤维具有快速响应性和高柔性，在可穿戴传感器和自适应纺织品等方面具有潜在的应用价值。然而，现有的PLC纤维仅具有窄响应范围以及较差的耐热性和耐化学性。本研究采用同轴静电纺丝工艺制备了一种新型PLC纤维。芯溶液为4'-正戊基-4-氰基联苯（5CB），鞘溶液为含有13wt%PVP和10wt%反应性液晶基元（RM）的混合物。纤维暴露于紫外线之后，芯中的5CB和从鞘层扩散的RM交联成LC聚合物。形成的纤维具有高度均匀的形态，平均直径为3.2±0.5μm，纤维内的液晶基元与纤维长轴呈单向排列。纤维显示出13.5至155.5℃的宽相变温度范围，响应时间小于10s。温度范围也可以通过调节电纺纤维中的组分和紫外线暴露时间来控制。以这种方式制备的芯鞘纤维表现出优异的耐热性和耐化学性以及可逆的光学响应。此外，当纤维暴露于甲苯等挥发性有机化合物（VOCs）时，纤维在25s内对甲苯蒸汽显示出快速的光学响应。本研究表明，这种芯鞘纤维有望用于制备柔性温度和化学传感器。

图1.用于制备芯鞘纤维的单体的化学结构。

图2.RM对电纺纤维形态的影响。（a,b）当芯溶液是5CB和RM的混合物，鞘溶液是PVP时，纤维F1不均匀且出现多处串珠状结构。（a）POM图像和（b）SEM图像。（c,d）当芯溶液是纯5CB，鞘溶液是RM和PVP的混合物时，纤维F2变得均匀。（c）POM图像和（d）SEM图像。（e,f）均匀纤维的截面积。（e）中空纤维和（f）芯鞘纤维（F2）。（g）F2的尺寸分布，平均直径为3.2±0.5μm。（h）F2形成非织造纤维垫，在15分钟的静电纺丝过程中收集，厚度为43.5±3.5μm。比例尺（a,c）：50μm；（b,d）：10μm；（e,f）：1μm；（h）：15mm。

图3.纤维形态对紫外光交联电纺纤维内液晶基元排列的影响。由于纤维F2-UV具有均匀的形态，因此液晶基元的排列也是均匀的，与纤维取向相同。（a,b）POM下F2-UV的光学图像。（a）相对于其中一个交叉偏振光镜成45°。（b）相对于其中一个交叉偏振光镜成0°。（c）F2-UV中均匀取向的5CB（短线）和液晶基元（长线）的示意图。（d）F2-UV的灰度级双折射作为旋转角度的函数。（e,f）POM下F1-UV的光学图像。（e）相对于其中一个交叉偏振器为45°。（f）相对于其中一个交叉偏振器为0°。（g）F1-UV中非均匀取向的5CB和液晶基元的示意图。（h）不同条件下纤维垫的静态拉伸应力-应变曲线，以及（i）杨氏模量。比例尺为10μm。误差条基于一式三份的测量结果。

图4.紫外线照射对电纺纤维相变温度的影响。（a）室温（23℃）下的F2。（b,c）F2显示出36.5至50℃的窄相变温度。（b）36.5℃下的纤维和（C）50℃下的纤维。（d）冷却至室温后的F2。（e）室温下的F2-UV。（f-h）F2-UV显示出44.5至200℃的宽相变温度。（f）44.5℃下的纤维。（g）50℃下的纤维。（h）200℃下的纤维。（i）冷却至室温后的F2-UV。比例尺为100μm。

图5.均匀电纺纤维的形成和相变行为。（a）鞘溶液中RM和PVP的相分离导致RM分配到含有5CB的芯溶液中。（b）在紫外光交联之前，液晶基元沿纤维轴呈均匀取向。（c）经紫外光交联后，RM006和RM257聚合成网络。（d）在44.5℃时，RM聚合物中的5CB转变为各向同性。（e）在200℃时，RM聚合物上的所有5CB和液晶基元均进入各向同性相。（f）在静电纺丝过程中形成稳定的泰勒锥。（g）未经紫外光交联的纤维F2的光学性质。（h-j）经紫外光交联（F2-UV）后纤维的光学性质。随着温度的升高，双折射率不断降低，纤维变得更粗。比例尺为5μm。

图6.PNLC电纺纤维的热稳定性。（a-c）F2-UV加热至75℃后，纤维保持完整。（a）加热前后的纤维结构。（b）加热前后纤维的POM图像。（c）加热后纤维的SEM图像。（d-f）F2加热至75℃后，鞘结构的熔化导致其内含物泄漏，纤维结构受到不可逆的损伤。（d）加热前后的纤维结构。（e）加热前后纤维的POM图像。（f）加热后纤维的SEM图像。比例尺（a,d）：5mm；（b,c,e,f）：20μm。

图7.PNLC电纺纤维的耐化学性。（a）紫外光交联（F2-UV）的均匀纤维。暴露于乙醇后，纤维变得更亮。去除乙醇后，纤维恢复到原始外观并保持完整。（b）未经紫外光交联的均匀纤维（F2）。纤维被乙醇溶解，无法恢复。（c）F2-UV与甲苯接触后会有可逆的各向同性相变。比例尺为250μm。