剪切增强液晶纺丝法制备高性能共轭聚合物半导体纤维及其在智能纺织品中的应用

针对刚性共轭聚合物难以加工成高性能纤维的难题，东华大学团队通过剪切应力调控π-π堆叠作用，开发出液晶纺丝技术，制备出兼具优异机械性能（σs≈600 MPa）和电化学性能（μ达1.15×10-2 cm2 V-1 s-1）的BBL半导体纤维，并构建了织物级OECT逻辑电路，为智能医疗监测提供新技术路径。

　　

在可穿戴电子和智能纺织品快速发展的今天，如何将刚性共轭聚合物加工成兼具优异机械性能和半导体特性的纤维，一直是制约该领域发展的关键瓶颈。传统方法如静电纺丝、熔融纺丝等难以适用于这类材料，而湿法纺丝制备的纤维往往在机械强度（σ_s）或延展性（ε_y）方面存在明显不足。例如，尽管PEDOT:PSS纤维能达到410 MPa的拉伸强度，但其断裂应变仅2.5%；而PBFDO纤维的强度更低（250 MPa），且应变不足1%。这些局限性严重阻碍了共轭聚合物纤维在工业化纺织工艺中的应用。

针对这一挑战，东华大学先进纤维材料国家重点实验室的研究团队创新性地提出剪切增强液晶纺丝技术。通过调控聚（苯并咪唑并菲咯啉）（BBL）等刚性共轭聚合物在剪切应力下的π-π堆叠行为，成功实现了半导体纤维的连续化制备，相关成果发表在《National Science Review》。这项研究不仅解决了刚性共轭聚合物难以加工的难题，更通过液晶相诱导的分子有序排列，使纤维同时获得接近商业纺织纤维的机械性能（BBL165纤维σ_s达595 MPa）和显著提升的电化学性能（轴向载流子迁移率比径向高400%），并成功构建了首个全织物集成的可视化逻辑传感系统。

研究团队主要采用四项关键技术：1）通过有限元模拟和分子动力学研究剪切速率对液晶相形成的影响；2）利用同步辐射GIWAXS和SAXS表征纤维微观结构；3）基于不同分子量BBL（BBL39-BBL165）的溶液流变学调控；4）将纤维集成构建6×6阵列的有机电化学晶体管（OECT）器件并评估其电化学性能。

连续液晶纺丝半导体纤维

通过微流控通道中的剪切力场调控，使低浓度（5 mg mL^-1）BBL-MSA溶液产生向列相液晶态。分子模拟显示，剪切速率增至0.0169 ps^-1时，BBL链的回转半径增大，π-π堆叠距离（d_π-π）从3.52 ?缩短至3.37 ?，证实剪切力可降低液晶相形成的临界浓度。该方法可推广至PBFDO等刚性链聚合物，但柔性链聚合物（如BBB）无法形成液晶相。

半导体纤维的微观结构

GIWAXS分析显示，高剪切速率（0.8 mL min^-1）纺丝的BBL99纤维具有显著的单轴取向，π-π堆叠相干长度（L_c(010)）增加，准晶无序度（g₍₀₁₀₎）降低。纤维呈现典型的边缘取向排列，分子主链平面平行于纤维轴向，而π-π堆叠沿径向分布。

取向性、稳定性与机械性能

SAXS证实纤维中存在周期性43.8 ?的双相结构。BBL165纤维展现出卓越性能：拉伸强度595 MPa（优于棉和聚酯）、断裂应变54%，且在液氮（-196°C）至500°C、强UV（5000 W m^-2）和强酸（70% H₂SO₄）条件下保持90%以上强度。这种稳定性源于梯形分子结构和高度结晶取向。

半导体纤维OECT与织物阵列

轴向取向BBL99纤维OECT的μC*达7.66 F cm^-1 V^-1 s^-1，最大跨导（g_m,norm）2.76 S cm^-1，分别是径向器件的4倍。6×6织物阵列器件展现出优异均一性（g_m=1.39±0.06 mS），在25小时连续测试中保持稳定。

织物级逻辑电路

通过编织技术将BBL纤维与镀Ag/AgCl尼龙纤维集成，构建了NAND逻辑门电路。进一步整合葡萄糖氧化酶（GOx）功能化OECT和电致变色器件，开发出可视觉响应汗液生物标志物的智能纺织品，为慢性病监测提供新方案。

这项研究开创性地将液晶纺丝技术应用于共轭聚合物半导体纤维制备，通过剪切力诱导的分子有序排列，同步优化了机械性能和半导体特性。其突破性体现在三方面：1）提出普适性的剪切增强液晶纺丝策略，解决了刚性共轭聚合物加工难题；2）创制出目前综合性能最优的半导体纤维（强度595 MPa、迁移率1.15×10^-2 cm² V^-1 s^-1）；3）首次实现全织物集成的智能传感系统，推动可穿戴电子向实际应用迈进。该技术为开发新一代纤维基半导体器件奠定了基础，在精准医疗、人机交互等领域具有广阔前景。