MXene基细菌纤维素纤维打造强韧AIoT纺织电子

针对纺织电子中高导电性、高力学强度与液体环境稳定性三者难以兼得的核心瓶颈，新加坡国立大学李正国与江南大学魏取福、吕鹏飞团队跳出传统单一性能优化的框架，提出了一种核壳协同的纤维设计策略。他们引入KH570功能化MXene与PEDOT:PSS复配成导电浆料，通过与细菌纤维素的自组装构建有序核层，再包覆超薄PDMS疏水层。这一设计可谓一举两得：在纤维内部，K-MXene与PEDOT:PSS通过强π-π堆叠相互作用提升电荷输运效率；在纤维表层，PDMS涂层形成物理屏障，有效阻隔水分子渗透。该策略无需复杂多层结构，仅通过简洁的核壳协同设计，同步实现了高导电、超高强度和耐久疏水三大性能，为AIoT智能纺织电子提供了全新的材料解决方案。

I K-MXene/PEDOT:PSS导电浆料制备与PKMPBC导电纤维构筑

研究团队通过多步协同策略成功制备了K-MXene/PEDOT:PSS导电墨水，并以此为基元构筑了具有核壳结构的PKMPBC高强度导电纤维。首先，采用MILD法选择性刻蚀Ti3C2Tx MAX相中的Al层获得Ti3C2Tx MXene纳米片，随后通过KH570在水溶液中进行表面功能化修饰得到K-MXene。KH570的Si-OCH?基团经水解生成Si-O基，与MXene表面的-OH形成氢键并进一步缩合为Si-O共价键，实现稳定修饰。

将K-MXene与PEDOT:PSS水分散液混合，带正电的PEDOT链段与带负电的K-MXene通过静电相互作用组装，形成高稳定性导电墨水；拉曼光谱显示PEDOT特征峰发生约8 cm?1的红移，表明其分子构象由苯式向醌式转变，有助于提升电荷离域化和载流子密度。将细菌纤维素水凝胶条带浸渍于墨水中，通过静电自组装负载导电组分，再经拉伸加捻及干燥工艺获得KMPBC纤维；最后在表面浸涂PDMS形成疏水包覆层，得到PKMPBC核壳结构纤维。该纤维集高导电性、超强力学性能和环境稳定性于一体，可应用于运动姿态检测、微纳能量收集、危险液体监测及可降解纺织电子等领域。

图1. K-MXene/PEDOT:PSS导电浆料制备及PKMPBC纤维构造流程示意图。

透射电镜和原子力显微镜表征显示，K-MXene纳米片厚度约为2.21 nm，晶格条纹间距0.35 nm对应(101)晶面，稀分散液呈现明显的丁达尔效应。X射线衍射图谱中，K-MXene的(002)特征峰相较于MXene从8.05°移至7.07°，层间距扩大至1.25 nm，证实KH570成功插入层间。流变测试表明，K-MXene/PEDOT:PSS墨水黏度达51.65 Pa·s，较原始MXene分散液提高近一个数量级，表现出优异的剪切变稀特性和加工适应性。红外光谱分析显示，PKMPBC中BC的-OH振动峰从3341 cm?1红移至3270 cm?1，PSS的S=O吸收峰增强，证实BC与PSS、K-MXene与PSS之间形成了氢键网络。

电导率测试表明，随着K-MXene含量增加，KMPBC纤维电导率从2.98 S cm?1提升至43.32 S cm?1；包覆PDMS后PKMPBC纤维电导率为10.05 S cm?1。在高温高湿及稀盐酸浸泡后，PKMPBC纤维仍保持9.04和7.86 S cm?1的电导率，而未包覆的KMPBC纤维在水和PBS中电导率显著下降，证明PDMS疏水层的有效保护。接触角测试显示，PKMPBC纤维对水、酸、碱、盐、PBS及人工汗液的接触角均在127°以上，最高达148.2°，展现出优异的广谱疏液性能。

图2. K-MXene、KMP导电浆料及PKMPBC巨纤维的结构与性能表征。

II PKMPBC纤维的力学性能与增强机制

纺织基传感系统对纤维材料的力学强度提出了严苛要求。研究表明，经拉伸加捻工艺处理后，纯细菌纤维素纤维抗拉强度达718.4 MPa、杨氏模量15.4 GPa，显著优于未拉伸样品。引入K-MXene/PEDOT:PSS后，KMBC和KMPBC纤维因结构疏松化，强度分别降至668.6和610.4 MPa。而经PDMS包覆的PKMPBC纤维展现出致密有序的截面结构，杨氏模量提升至25.9 GPa，抗拉强度达433.8 MPa，综合力学性能优于已报道的大多数MXene基导电纤维。单根PKMPBC纤维可提起1 kg砝码(超自重3万倍)，并可任意弯折打结不断裂。在高温高湿及盐酸浸泡后，纤维仍保持478.8和301.4 MPa的强度，展现出优异的环境稳定性。广角X射线散射测试显示，PKMPBC纤维的Herman取向因子达0.56，半高宽仅45°，证明其高度取向的结构特征。断裂机制分析表明，拉伸过程中K-MXene纳米片发生层间滑移以适配大形变，PDMS外壳提供约束力防止断裂，BC微纤与导电填料间的强相互作用有效传递载荷并耗散能量，使纤维兼具高强度与韧性。

图3. PKMPBC纤维的力学性能与断裂机制表征。

III PKT-TENG织物的制造与输出性能

为验证PKMPBC纤维在可穿戴场景中的实用性，研究团队基于单电极和接触-分离两种工作模式构建了织物基摩擦纳米发电机(PKT-TENG)。选用静电纺丝制备的PVDF-HFP纳米纤维膜作为高电负性摩擦层，与PKMPBC织物配对组装。在周期性接触-分离过程中，PKT-TENG的开路电压、短路电流和转移电荷量随工作频率升高而增加，在4 Hz时分别达到272.5 V、14.6 μA和83 nC。COMSOL仿真显示，分离距离30 mm时两极间电势差达295 V。随着负载电阻增大，输出电压升高而电流降低，在70 MΩ负载时瞬时功率密度达到峰值86.3 mW m?2。对比不同对摩材料，PVDF-HFP配对时输出电压最高。输出性能随外加作用力增大而提升，80 N力下电压达208 V。耐久性测试表明，PKT-TENG在2700次连续接触-分离循环及100次大幅扭曲拉伸后输出无明显衰减，液体浇淋后电信号变化微小，展现出优异的机械稳定性和环境耐受性。

图4. PKT-TENG织物的工作机制与输出性能表征。

IV PKT-TENG的自供能传感与运动监测应用

基于优异的力学性能和电输出特性，PKT-TENG展现出作为自供能可穿戴传感器的巨大潜力。通过整流桥将交流输出转换为直流后，PKT-TENG可成功为10至330 μF系列商用电容器充电，充电速率随电容容量增大而降低；在3 Hz接触-分离频率下，100 μF电容器可在50 s内充电至5.7 V，并成功驱动电子手表工作，证实其作为柔性电源的可行性。

在单电极模式下，PKT-TENG输出信号与机械位移高度相关，可用于人体运动模式识别。将PKMPBC织物集成至鞋垫，行走时足跟与织物接触-分离产生37.5 V峰值电压，跑步和跳跃时因碰撞力增大，输出电压分别升至64.7 V和58.8 V。抬臂速度从慢到快变化时，输出电压从13.2 V逐步增至20.8 V；抬腿高度增加同样引起输出信号升高。液体浇淋前后膝关节运动信号峰值分别为19.4 V和18.2 V，变化微小，充分证明器件的疏水稳定性和环境适应性。

图5. PKT-TENG在自供能传感与运动监测中的应用演示。

V 基于PKMPBC织物的液体智能识别与降解性能

面向无人化工厂对危险液体实时监测的需求，研究团队开发了基于PKMPBC织物的压阻式液体智能识别系统。该传感器响应/恢复时间仅45/68 ms，在0.5至3 N负载下具有稳定的循环响应。当液滴滴落至织物阵列表面时，重力冲击和蒸发动力学共同作用引发随时间变化的电阻信号。不同液体因分子间结合能差异呈现独特的挥发行为：蒸馏水因强氢键作用挥发缓慢，电阻响应平稳持久；乙醇、丙酮等有机液体挥发迅速，电阻快速衰减。这种特征性的电阻-时间衰减曲线构成了液体识别的物理基础。

系统对不同液体滴落高度和体积也表现出灵敏响应，电阻变化率随高度和体积增大呈非线性增加。基于此，研究团队构建神经网络对丙酮、DMF、乙醇和蒸馏水的电阻响应数据进行训练和分类，经过1600批次训练后识别准确率达91.03%。对于混合液体体系，传感器可清晰区分各组分的挥发过程，如丙酮与乙醇混合液中丙酮完全挥发的时间点可被准确捕捉。

此外，PKMPBC纤维保留了细菌纤维素的本征可生物降解特性。在纤维素酶溶液中，纤维在60 h内逐渐断裂为短纤束，132 h后完全降解，质量损失率达60%，为绿色可持续的AIoT纺织电子提供了环保解决方案。

图6. 基于PKMPBC织物的液体深度感知与智能识别系统。

吕鹏飞

本文通讯作者

江南大学 研究员

▍主要研究领域

(1)功能纳米纤维设计与合成；(2)纤维素基智能材料；(3)可穿戴传感与能量收集系统。

▍主要研究成果

江南大学纺织科学与工程学院研究员。研究方向聚焦于功能纳米纤维的可控构建及其在生物传感、能源存储、智能响应材料等领域的应用，尤其在纤维素基功能材料的开发与性能调控方面开展了系统性研究。

▍Email：pengfeilv@jiangnan.edu.cn

魏取福

本文通讯作者

江南大学 教授

▍主要研究领域

(1)功能纳米纤维材料；(2)可穿戴能源存储与转换系统；(3)智能纺织品与生态纺织材料。

▍主要研究成果

江南大学纺织科学与工程学院教授，生态纺织教育部重点实验室主任。长期从事功能纳米纤维的可控构建及其在智能纺织品、能源转换与存储、可穿戴传感等领域的应用研究。在纳米纤维材料的设计合成、结构调控与功能集成方面取得了一系列创新成果。

▍Email：qfwei@jiangnan.edu.cn

Chengkuo Lee

本文通讯作者

新加坡国立大学 讲席教授

▍主要研究领域

(1)MEMS/NEMS传感技术；(2)纳米光子学与超材料；(3)能量采集与AIoT智能传感系统。

▍主要研究成果

新加坡国立大学电气与计算机工程系Global Foundries讲席教授，智能传感器与MEMS中心主任。长期从事微纳机电系统、纳米光子学、能量采集及人工智能物联网集成传感系统的研究，在微纳传感技术与智能系统集成领域取得了系列创新成果。

▍Email：elelc@nus.edu.sg

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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视频号：##柔性电子那些事