随着人类社会的发展与工业化进程的推进，越来越多的外在危险（如有害化学物质、电磁辐射、静电和火灾风险等）对人类的人身安全造成威胁，尤其是在工程、救援、军队、户外探险和航空航天等高风险领域。开发具有智能感知和个人热管理功能的安全防护织物对于在不同复杂应用环境下工作人员的安全至关重要。聚四氟乙烯（PTFE）纤维具有优异的耐化学腐蚀性、耐高低温性、出色的抗污和抗磨损性能，是用于安全防护织物的理想材料。然而，PTFE具有“难溶难熔”的特性，融化后难以流动，并且几乎不溶于任何溶剂。因此，基于PTFE纤维的复合纤维的制备极为困难，常规的熔融或溶液纺丝工艺难以生产具有高改性填料负载的PTFE纤维。面对这一难题，山东大学王桂龙教授团队创造性地开发了一种基于PTFE原位成纤与碳纳米管（CNT）原位复合改性的工艺，通过灵活的双螺杆共混及牵引纺丝方法，首次实现了高导电填料负载的多孔PTFE复合纤维连续化制备，在工业化生产中具有显著前景。所制备的PTFE/CNT纤维纤细灵活、持久耐用，具有卓越的孔隙率、导电性和力学强度，为个体在极端环境下的安全提供了可靠保障。该研究以题为“Porous and Conductive Fiber Woven Textile for Multi-Functional Protection, Personal Warmth, and Intelligent Motion/Temperature Perception”的论文发表于《Advanced Functional Materials》。
【用于多功能防护、个人保温和智能动作/温度感知的多孔导电纤维织物】
双纳米纤维创新设计：集成双重优势
由于PTFE的独特表面特性和疏松的晶体结构，在双螺杆加工过程中PTFE晶体在剪切力作用下容易纤维化为纳米纤维，将熔体挤出后经过牵引纺丝后进行洗涤，从而在所制备纤维内部实现了具有PTFE纳米纤维和CNT两者相互缠绕且各自独立的双纳米纤维微观结构。纤维继承了PTFE和CNT的双重优势，轻质柔软，具有良好的机械强度和高低温使用性。同时，由于取向排列的高含量CNT以及独立的纳米纤维结构共同作用，纤维具有优异的导电性能，这使所编织的纺织品能够实现更多的防护性能与智能化应用。经过测试，该材料的电导率达到185 S/m，拉伸强度高达17.3 MPa，且在极端温度（-150℃到150℃）范围内保持稳定的性能。此外，其高孔隙率（76%）确保了织物的透气性与轻质感，避免了在使用过程中的不适感。
图1.基于“原位成纤”的PTFE/CNT双网络纤维制备工艺示意图
图2. PTFE/CNT双网络纤维结构与性能表征
穿着舒适与安全：透气性与多功能防护
透气性和防护性能对于穿戴舒适性和安全性至关重要。该材料的透气性表现尤为突出，使得穿戴者在高强度活动中依然保持干爽与舒适。织物纤维之间的有效空隙和纤维内部多孔结构协同作用，允许气体分子自由流动，提升了透气性和湿气排出能力，确保了在高温和潮湿环境下的舒适穿戴体验。该织物的防水和防化学品性能十分突出，借助PTFE的低表面能和CNT的优异化学惰性，该织物能够抵御各种液体和化学腐蚀。实验表明，材料在接触酸碱等强腐蚀性溶液时，依然保持其结构和功能的完整性。这一特性不仅提高了材料的耐用性，还为从事高风险工作的人员提供了重要的保护，确保他们在面临液体溅泼和化学品暴露时的安全。此外，CNT的引入显著提高了织物的电磁屏蔽性能、抗紫外线性能、抗静电性能。研究结果显示，该材料电磁干扰（EMI）屏蔽效能在X波段下达到29 dB。这一特性为用户在工作和生活中面临的电磁辐射风险提供了额外的保护。同时，该材料紫外线防护指数（UPF）高达3000以上，远远超过现有的防晒服标准，能够有效阻挡有害的紫外线辐射，保护皮肤健康。此外，其出色的抗静电性能在防护服和工作服中起着关键作用，防止静电积累造成的意外伤害，特别是在化工、航天等高风险领域中。
图3. PTFE/CNT纤维织物的透气防水与多效防护性能
高效保温与动态监测：电/光加热与智能感知
该纺织品的电热和光热转换能力具有重要实际应用价值。通过外加电压或太阳光照射，该材料能够快速升温至130°C以上，确保在寒冷环境中提供持久的保暖效果。这种高效的热能管理技术，尤其适用于户外工作者、运动员和军人等需要在低温环境中保持体温的人群。此外，其导电结构不仅使纺织品能够快速升温，还能实时监测温度和机械变形。通过集成于纤维智能传感能力，用户可以监控自己的身体活动，确保在潜在危险中及时做出反应。通过在纤维中集成CNT，这种材料能够有效实现动作与温度的实时感知。当使用者进行各种动作时，例如弯曲、按压或拉伸，织物会迅速响应，改变其电阻值。实验结果表明，纺织品在不同弯曲角度下的相对电阻变化表现出良好的线性关系，使其能够精确地监测用户的运动状态。在温度监测方面，该材料同样表现出色。研究发现，PTFE/CNT纤维的具有负温度系数，能够精确地感知周围环境的温度变化。当温度升高时，织物的电阻会随之改变，能够用于实时监测周围的温度变化，从而在火灾等紧急情况下提供早期预警。这种智能传感性能的集成使得该纺织品不仅能用作传统服装，还能用于智能穿戴设备，为用户提供更高的安全性和便利性。
图4. PTFE/CNT纤维织物压阻传感性能
图5. PTFE/CNT纤维织物的温度传感性能及多功能示意图该研究成果为防护服、消防服、航天服等领域的高性能纺织品开发提供了全新的视角与思路。凭借其多功能保护、保暖与智能感知的集成能力，这一创新材料在各行各业的潜在应用场景中展现出广阔的前景。例如，作为消防员的制服，该材料的高强度、抗水性和化学稳定性能够有效保护消防员在救援过程中的安全；而在航天服中，该纺织品能在极冷的外太空环境中保持柔软性，并通过电光热转换提供外部热量，同时阻挡有害的电磁波和紫外线辐射。这项研究不仅为个人防护领域带来了重要创新，也为未来智能纺织技术的研究与应用提供了新的可能，展现出巨大的应用潜力与社会价值。原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416428声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
