可拉伸导电纤维是可穿戴电子纺织品的重要组成部分，但在拉伸过程中其导电性往往会下降。在弹性纤维中使用液态金属液滴作为导电填料是一种很有前途的解决方案。然而，迫切需要开发有效的策略来实现液态金属液滴对基底的高粘附性，并建立液滴之间高效的电子传输路径。此外，提高复合纤维的稳定性、耐用性和环境适应性也是复合纤维材料面临的一个挑战。

近日，北京航空航天大学刘晓芳副教授课题组采用大尺寸MXene二维导电材料对磁性液态金属液滴进行改性，制备了MXene/磁性液态金属/聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）复合纤维（MLMS纤维）。磁性液态金属液滴表面装饰有MXene片不仅增强了液滴与基体的粘附性，而且桥接了相邻液滴，建立了有效的导电路径。与纯液态金属填充的纤维相比，MLMS纤维的抗拉强度和伸长率提高了几倍，电导率提高了30倍。这些导电纤维可以很容易地编织成多功能纺织品，即使在大的拉伸变形下也具有强的电磁屏蔽和稳定的焦耳加热性能。此外，MLMS纺织品的其他优点，如：高的气/液渗透性、强的耐化学性、高/低温耐受性（-40~150℃）和耐水洗性，使其特别适合于可穿戴应用领域。相关工作以“MXene-Reinforced Liquid Metal/Polymer Fibers via Interface Engineering for Wearable Multifunctional Textiles”为题发表在《ACS Nano》上。

【合成与表征】

采用简单、经济、可控的一步挤出法制备了MLMS弹性纤维。浆料从注射器中挤出形成MLMS纤维，该纤维具有可拉伸性、可扭性、可弯曲性和铁磁性。这些纤维可以进一步用作织成各种纺织品的线。SBS纤维的截面由于纤维在凝固过程中的收缩而呈“蚕豆”形，而M 0.1LM 5S纤维的截面则变为椭圆形，这是由于MXene和磁性液态金属的填充缓解了收缩。MXene片紧密地附着在磁性液态金属液滴的表面，这是由于润湿性的增强和它们之间氢键的形成。此外，与纯液态金属液滴相比，MXene改性的磁性液态金属液滴与SBS衬底之间的界面粘附力更强，这源于MXene片产生的“钉住”效应，这不仅降低了磁性液态金属液滴的流动性，而且增加了液滴的表面粗糙度，可以增强它们与SBS链的机械联锁。这种钉住效应还使磁性液态金属液滴在衬底中的尺寸更小，空间分布更均匀。

图1 MLMS纤维/纺织品的制备和结构示意图及其多功能性

图2 MLMS纤维的相关表征

【力学和电学性能】

单独加入纯液态金属或磁性液态金属会显著降低纤维的抗拉强度和断裂伸长率，因为填料与基体之间的界面粘附性较弱。而合理调整MXene与磁性液态金属的含量比，可显著改善纤维的力学性能，这与MXene在磁性液态金属液滴上的钉住效应有关。当MXene含量增加到x=0.1时，M0.1LM5S纤维的抗拉强度和断裂伸长率分别增加到18.2 MPa和1042%。这是因为适当比例的MXene和磁性液态金属可以充分利用钉住效应，增强液滴与基体的界面粘附，促进液滴均匀分布，从而有利于纤维力学性能的提高。导电性是影响材料电磁屏蔽性能的重要因素之一。MXene和磁性液态金属在提高导电性方面具有协同效应，因为MXene片可以桥接相邻的磁性液态金属液滴，从而建立更多的导电路径。

图3 MLMS纤维的力学和电学性能

【电磁屏蔽性能】

当x值从0增加到0.2时，M xLM 5S纺织品的平均屏蔽效能从10.68 dB增加到40.94 dB。同样，随着y值从0增加到10，M 0.1LM yS纺织品的平均屏蔽效能从1.58 dB增加到63.45 dB。M0.1LM5S的屏蔽效能（26.22 dB）显著高于LM5S（10.68 dB）和M0.1S（1.58 dB），表明MXene与磁性液态金属具有协同效应。良好的力学性能与高屏蔽性能的结合是可穿戴型电磁屏蔽纺织品的关键。此外，随着应变从0增加到300%，M 0.1LM 5S纺织品的平均屏蔽效能从27.04 dB增加到47.10 dB，然后随着应变进一步增加到800%，屏蔽效能的平均值持续下降到11.73 dB。在0~600%的拉伸应变范围内，覆盖了大多数可穿戴电子设备的应变范围，其屏蔽效能值大于20 dB，满足商业应用要求。与此前报道的其他电磁屏蔽纺织品相比，M0.1LM5S纺织品具有最佳的电磁屏蔽性能和最高的拉伸性能。此外，其屏蔽效能值在500次循环拉伸过程中衰减不明显，这对纺织品的使用寿命至关重要。

图4 MLMS纺织品的电磁屏蔽性能

【耐用性】

M 0.1LM 5S纤维可以很容易地编织成各种电磁屏蔽纺织品，可以像衣服一样穿着，也可以与其他可穿戴电子纺织品集成。可以根据实际应用来设计纺织品的编织样式，从而调整纺织品的屏蔽性能。M0.1LM5S纺织品的屏蔽效能值在在2000次弯曲/扭转循环试验中表现出良好的稳定性，无明显波动。经标准浸泡、漂洗、脱水10次后，M 0.1LM 5S纺织品的屏蔽效能值仍高于20 dB。将M 0.1LM 5S纺织品分别浸入去离子水、人工汗液、乙醇、NaCl溶液、酸性和碱性溶液中，最终屏蔽效能值都稳定在20 dB以上，表明其耐环境和耐化学物质。此外，M 0.1LM 5S纺织品还具有高/低温耐受性（-40~150℃）。

图5 MLMS纺织品的可织造性、可变形性、可水洗性、耐化学试剂和耐低温/高温性能

【焦耳加热和透气性能】

为了提高焦耳加热效率，用0.4MPa的压力对M 0.1LM 5S纺织品进行了压缩。压缩的M 0.1LM 5S纺织品的电压电流曲线符合欧姆定律，显示其高导电性。在2V的低电压下，纺织品的温度可以从室温上升到47.8℃，这是一个适合穿戴式热疗的温度。当电压增加到3V和4V时，饱和温度分别上升到83.8℃和110.6℃。该纺织品在达到饱和温度后，可在4000s内长期保持~83℃的稳定温度。此外，焦耳加热引起的温度升高，即使高达150°C，也不会影响纺织品的电磁屏蔽性能。这说明纺织品的焦耳加热和电磁屏蔽功能可以同时使用，并且具有良好的功能兼容性。此外，由于纺织品纤维之间有较大的孔隙，因此具有较高的透气性。

图6 MLMS纺织品的焦耳加热和透气性能

【小结】

总之，本文采用简单、经济、可控的一步挤出法制备了可拉伸MLMS导电纤维。利用它们的可织造性，编织了各种多功能纺织品，显示出可调节的电磁屏蔽和焦耳加热功能。利用MXene片对磁性液态金属液滴的钉住和桥接作用，复合纤维的力学性能和导电性得到显著改善。此外，纺织品的透气性和透水性保证了人体长期穿着的舒适性。耐洗性、耐化学试剂、耐低/高温，可延长使用寿命。本工作为解决液态金属液滴填充纤维所面临的挑战提供了一种高效、简单的方法，将促进液态金属在可穿戴电子纺织品中的应用并增强器件功能。