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  高性能導電高分子纖維在功能纖維器件和電子織物領域有著重要的應用。最近，香港理工大學陶肖明、柴揚課題組報告了一種基于良溶劑交換體系的新型濕法紡絲技術，成功實現精細聚苯胺纖維的規模化制備。論文以Scalable production of ultrafine polyaniline fibres for tactile organic electrochemical transistors 為題發表在最新一期的Nature Communications。香港理工大學陶肖明教授和物理系柴揚教授為論文通訊作者，方波博士為第一作者（兼通訊作者），物理系博士生晏建民為共同第一作者。

圖1. 良溶劑交換體系實現聚苯胺纖維細化的示意圖。

  沿著主鏈延伸且易摻雜的共軛 π 電子云使導電聚合物具有豐富的傳輸、光學和電化學特性，這些特性在傳統聚合物和金屬導體中很少見。將導電聚合物加工成宏觀纖維材料，可以以連續的方式將其納米尺度的特征轉化為具有實際應用價值的產品。傳統的導電聚合物纖維之前大都使用濕法紡絲工藝制備，即將導電高分子分散在良溶劑中，再在不良溶劑中凝固成纖。然而，由于極強的鏈間作用，瞬時凝固且快速硬化的凝膠原絲抑制了后拉伸和細化過程，導致最終得到的纖維顯示出超過10微米的直徑，如此大的直徑也在很大程度上降低了導電高分子纖維的機械性能和電化學活性。陶肖明課題組提出了一種基于良好溶劑交換的濕法紡絲技術，可以大規模制備超細聚苯胺纖維。不同于傳統的濕法紡絲技術，他們用良溶劑取代不良溶劑作為凝固浴，從而降低凝膠原纖維的粘度，這些原纖維在經受超高拉伸后形成直徑小于5微米的精細化纖維。

  如圖2所示，在改進的一步濕法紡絲工藝中，他們使用良溶劑作為凝固浴，實現了精細聚苯胺纖維的大規模生產。在用樟腦磺酸摻雜聚苯胺分子后，他們將完全摻雜的聚苯胺分散到間甲酚中作為紡絲原液。值得注意的是，直接使用摻雜的聚苯胺溶液作為紡絲原液可以省去繁瑣的后摻雜程序，并進一步實現在整個光纖長度上的均勻電荷分布。聚苯胺的另一種良溶劑，二甲基甲酰胺，則用作凝固浴。間甲酚和二甲基甲酰胺之間的緩慢溶劑交換促進了聚苯胺凝膠原纖維的形成，其粘度非常低，低于3000 cP。隨后，在凝固浴中拉伸凝膠纖維（圖 2b-e）時，觀察到直徑從 ±0.1 mm 急劇減小到 ±4.7 μm。超細聚苯胺纖維具有光滑的表面、高度結晶的微觀結構和均勻的電荷分布。此外，極大的拉伸比使精細聚苯胺纖維的生產效率非常高，超過 40 米/分鐘。例如，他們在兩小時內就可以得到5.4 公里長的連續纖維（圖 2f）。

  凝膠原纖維的細化現象與使用良溶劑凝固浴的選擇高度相關。他們記錄了從不同溶劑中收集的聚苯胺纖維表面形態的演變。如圖 3a 所示，在不良溶劑中獲得的纖維，即水、乙醇、乙酸乙酯和丙酮，通常呈現出粗糙的表面和大約 20 μm 的大直徑。作為對比，他們在兩種良溶劑中能清楚地觀察到細化現象，即 N-甲基-2-吡咯烷酮和二甲基甲酰胺。這種頸縮效應促使最終生產的纖維呈現出超細的形態，這有助于聚苯胺纖維表現出更高的取向和結晶度，以及更好的結構和性能穩定性。

  精細聚苯胺纖維顯示出令人印象深刻的機械性能和能量存儲能力。從應變-應力曲線得出，精細聚苯胺纖維的模量為29.89±5.6 GPa，強度為1080±71 MPa，比直徑較大的導電高分子纖維至少高一個數量級（圖 3b）。他們使用聚乙烯醇-磷酸凝膠電解質和兩根精細聚苯胺纖維電極構建了一個微型電容器，以評估精細聚苯胺纖維的電化學活性。當電流密度在 0.32 和 3.18 mA cm^-2 之間時，所測得的面積電容在1008 和1666 mF cm^-2之間，優于先前報道的粗纖維和其他電極，并接近于聚苯胺納米線。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29773-9

  下載：Scalable production of ultrafine polyaniline fibres for tactile organic electrochemical transistors