先进功能材料：3D打印纤维素基复合智能纤维和织物

来源：高分子科学前沿

纤维材料具有来源广泛和力学性能优异的特点，是未来材料科学研究和应用领域的重点方向之一。然而，目前的纤维材料往往在结构组成和功能上表现较为单一，限制了其更广泛领域的应用。例如，大多的高分子纤维材料为绝缘材料，很大程度上限制了其在电子器件和未来智能可穿戴纺织品领域的应用。除此之外，如何通过简便的制备方法来高效制备具有智能响应作用的纤维材料及其织物，并实现在复杂环境中的多重刺激响应性，也是目前亟待解决的一大难题。

为克服以上难题，同济大学附属第十人民医院陈峰研究员团队与北京林业大学马明国、上海大学张娟教授合作，利用3D打印策略，制备得到尺寸和形貌均得到较好控制的MXene增强的纳米纤维素基智能纤维和织物（图1）。本研究利用纳米纤维素的分散液在乙醇中的溶剂交换和自组装性能，实现了连续、稳定的宏观纳米纤维素胶体纤维的制备；并通过适量MXene的加入，显著提高了复合纤维的力学性能和导电性。此外，利用纳米纤维素与MXene间存在的相互作用，本研究可以将具有均一结构的MXene/纳米纤维素复合浆料非常简便的3D打印成多种复杂形状的纤维织物（图2）。

图1. (a) 智能纤维织物的制备过程示意图；(b,c) 单层MXene的分散液和透射电镜图；(d,e) 纳米纤维素的分散液和透射电镜图；(f) 3D打印复合浆料在乙醇中成型；(g) 干燥后的纳米纤维素/MXene复合纤维

图2. (a-f) 复合浆料在乙醇中被3D打印成多种形状；(g) 复合纤维的元素分布图；(h) 复合纤维的原子模型图
研究表明，制备的MXene/纳米纤维素复合的智能纤维和织物具有优异的光热和电热响应能力（图3）。并且，随着近红外光强度和输入电压的提高，纤维织物的响应能力越明显。当打印的复合纤维织物被组装成传感器时，可以实现对人体的手指弯曲、手腕弯曲、吞咽、发音等运动的实时监测。这种新型的智能纤维在可穿戴加热纺织品、人体健康监测和人机界面等领域具有广阔的应用前景。

图3. (a,b) 复合纤维的光热转换曲线图；(c,d) 复合纤维的电热转换曲线图和热成像图；(e,f) 智能纤维织物传感器对人体手指弯曲和吞咽运动的实时监测
以上研究工作以”MXene-Reinforced Cellulose Nanofibril Inks for 3D-Printed Smart Fibres and Textiles”为题在线发表在《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为博士生曹文涛，通讯作者分别为陈峰研究员、马明国教授和张娟副教授。

论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201905898