在工業安全領域，設備過熱是引發火災、爆炸等事故的核心隱患。當前主流可逆熱致變色纖維（RTFs）因變色溫度閾值低（多低于100°C）和熱穩定性差，難以滿足新能源設備、電子元件等中高溫場景（120～180°C）的實時溫度可視化預警需求。尤其如鋰電池熱失控前，若能在溫度突破臨界點時發出視覺警報，將極大提升事故預防能力。因此，開發兼具高溫穩定性與顯著變色性能的RTFs成為工業安全生產的迫切需求。

近期，蘇州大學李戰雄教授團隊創新性地提出基于TiO?@AgI復合材料的可逆熱致變色有機硅纖維（TSIF）。該材料通過高溫空氣誘導交聯技術，將具有光穩定性的TiO?@AgI納米復合物均勻分散于三元有機硅紡絲液中制備而成。其中最優樣品TiO?@AgI1·1@SiF-2在135.4°C條件下實現顯著的白-亮黃色變（色差ΔE=25.72），經歷170次熱循環后仍保持變色性能，拉伸強度達9.89～11.33 MPa，且經500次拉伸無衰減。其優異的生物相容性、抗菌性及耐酸堿性，為中高溫設備預警提供了全新的解決方案。

團隊首創高溫空氣誘導交聯法制備TSIF（圖1a）。以含苯環的苯基乙烯基硅油（End-?PMPS?）為主體，添加15%側鏈乙烯基硅油（Side-?PMPS?）優化交聯網絡，使拉伸強度提升10倍。鉑催化劑在高溫下激活硅氫加成反應，221°C噴絲孔道中瞬時固化成型（圖1b）。所得纖維直徑均勻（300±14 μm），熱穩定性卓越：初始分解溫度超400°C，5%質量損失點達421.27°C（圖1c）。紅外光譜證實Si-CH=CH?特征峰消失，表明交聯結構形成（圖1d）。纖維可制成織物，在150°C環境下織物表面的“SZDX”字樣由白變黃（圖1f），為智能紡織品的開發提供了新思路。

圖1. a) TSIF制備原理及查克-哈羅德理論； b) 自然光下TSIF的圖像與直徑； c) SiF、AgI@SiF和TSIF的熱重（TG）與微分熱重（DTG）曲線； d) SiF、AgI@SiF和TSIF的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）； e) TSIF的元素分布圖； f) TSIF縫制在織物上的圖案在常溫與中高溫下的對比。

TiO?@AgI復合物是纖維實現變色的核心材料（圖2a-b）。原位XRD測試結果顯示：在120～140°C溫度范圍內，AgI發生β→α相變（圖2d-e），引發帶隙從2.88 eV降至2.72 eV（圖2h），材料從反射可見光（白色）轉為選擇性吸收藍紫光（黃色）。TiO?的引入帶來兩大優勢：一是納米尺寸效應與界面作用顯著降低相變溫度（純AgI相變焓6.27 kJ·mol?1 → 復合物0.64 kJ·mol?1，圖2j）；二是形成異質結抑制AgI光分解（圖2k）。純AgI紡絲液光照15分鐘即變黑，而復合物溶液保持穩定，解決了銀鹽類材料的光敏感缺陷。

圖2. a) AgI、TiO?和TiO?@AgI1·1的紫外-可見漫反射光譜（UV-vis DRS）； b) TiO?@AgI1·1的X射線衍射（XRD）圖譜； d,e) TiO?@AgI1·1在不同溫度下的原位XRD圖譜； f) 純AgI與TiO?@AgI1·1的差示掃描量熱（DSC）曲線； g) 變色機制示意圖； h) TiO?@AgI1·1在不同溫度下的Tauc曲線； i) TiO?@AgI1·1的晶格間距與選區電子衍射（SAED）圖； j) TiO?@AgI1·1與AgI的相變焓（ΔH）； k) 純AgI與TiO?@AgI1·1紡絲液的穩定性及AgI@SiF的變色情況。

TSIF兼具柔韌性與高強度（圖3a-e）：可打結、編織（疏水角138°），單纖維輕松提拉100 g砝碼。正交實驗優化TiO?@AgI粒徑分布（圖3g-h），確定球磨速度為關鍵因素。添加2 wt% TiO?@AgI1·1時，顆粒均勻分散于交聯網絡之中（圖3f），拉伸強度達0.92 cN·tex?1（圖3i-j）；TiO?@AgI1·1濃度增至4.5 wt%則出現團聚，強度下降（圖3l）。循環拉伸測試顯示，500次100%伸長后纖維強度保持率為94.55%（圖3k），遠超已報道的PDMS基纖維。

圖3. a) TSIF可打結、輕質、易纏繞且低密度； b) TSIF的良好延展性； c) TSIF的可編織性及TSIF織物的疏水性測試； d) TSIF的負載能力； e) TSIF與碳纖維的導電性對比； f) TSIF內部結構簡圖； g) 正交試驗中TiO?@AgI1·1@SiF-2的拉伸強度； h) 試驗3條件下TiO?@AgI1·1的粒徑分布； i) TiO?@AgI1·1添加量對纖維強度的影響； j) TiO?@AgI1·1@SiF-2的應力-應變曲線； k) TiO?@AgI1·1@SiF-2的循環拉伸測試； l) TiO?@AgI1·1@SiF-2與TiO?@AgI1·1@SiF-4.5斷裂截面對比。

TiO?@AgI1·1@SiF-2在20～150°C的溫度范圍內呈現出最優的變色性能（ΔE=25.72，圖4a-b），其熱導率達0.2054 W/（m·K），在170°C熱臺上于21秒內完成白→黃轉變（圖4c），170次冷熱循環后仍保持變色能力（ΔE=15.56，圖4d-f），循環后期出現粉色調偏移（圖4e），源于Ag納米粒子表面等離子共振效應（圖4g），但未影響纖維的核心預警功能。材料對135～136°C閾值響應誤差小于1°C（圖4h），可精準定位異常熱源。

圖4. a,b) TiO?@AgI1·1添加量對纖維色差（ΔE）的影響； c) TiO?@AgI1·1@SiF-2的快速變色特性； d,e) TiO?@AgI1·1@SiF-2的循環變色性能及宏觀顏色對比； f) TiO?@AgI1·1@SiF-2在10次與170次循環后的ΔE對比； g) Ag納米粒子表面等離子體共振（SPR）示意圖； h) TiO?@AgI1·1@SiF-2的變色靈敏度測試結果。

TSIF對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率達99.99%（圖5a-b），細胞毒性實驗證實生物安全性（圖5c-d）。在200°C高溫或酸/堿浸泡24小時后，機械性能保持98%（圖5e）。戶外曝曬15天顏色穩定（圖5g），8天UV老化處理后仍具變色性，但效果減弱（圖5f）。模擬實驗顯示（圖5h），該材料在設備溫度超過閾值時即時變黃，性能遠超商用熱致變色聚酯（圖5i）——后者260°C熔化且耐化學穩定性差。

圖5. a) 不同濃度梯度的金黃色葡萄球菌（S. aureus）和大腸桿菌（E. coli）與TiO?@AgI1·1@SiF-2作用前后的菌落平板； b) TiO?@AgI1·1@SiF-2的抗菌機制示意圖； c) L929細胞存活率； d) L929細胞與不同濃度TiO?@AgI1·1@SiF-2提取液共培養12小時后的照片； e) TiO?@AgI1·1@SiF-2在不同溫度下的機械性能； f) 不同紫外線輻照時長下TiO?@AgI1·1@SiF-2的K/S值與CIE白度； g) 不同紫外線輻照時長下TiO?@AgI1·1@SiF-2的熱致變色性能及戶外存放15天后的變化； h) TiO?@AgI1·1@SiF-2的模擬應用場景測試； i) TiO?@AgI1·1@SiF-2與商用熱致變色聚酯的各項性能對比。

這項研究突破了傳統熱致變色纖維的溫度與穩定性瓶頸，首創的TiO?@AgI1·1@SiF-2纖維在135°C觸發顯著可視化警報，耐170次熱循環、500次機械拉伸及嚴苛環境考驗。其優異的綜合性能為鋰電池、電力設備等中高溫場景提供了可靠的“溫度視覺哨兵”，有望顯著提升工業安全防護水平。未來通過優化抗紫外線穩定性，將進一步拓展其在戶外監測設備中的應用前景。

來源：紡織導報