北科納米可提供MXene（可定制）

研究摘要

多功能性纖維組成的智能可穿戴織物廣泛應(yīng)用于人類人機(jī)交互、健康管理、移動(dòng)監(jiān)測(cè)、疾病防護(hù)、智能機(jī)器人等人類生活中。Ti3C2Tx（MXene）納米片因其本身優(yōu)異的電導(dǎo)率和高力學(xué)性能被看作是制備多功能纖維器件的理想基礎(chǔ)材料。迄今，大量研究方法如濕法紡絲、靜電紡絲法、加捻法以及包裹法等來(lái)實(shí)現(xiàn)MXene纖維納米復(fù)合材料的構(gòu)筑。但因MXene納米片層間結(jié)構(gòu)缺陷（如孔隙和褶皺）和存在的弱界面作用引起的層間疏松，導(dǎo)致纖維納米復(fù)合材料中本征MXene納米片的高力學(xué)性能和電導(dǎo)率性能很難實(shí)現(xiàn)充分的利用。因此，構(gòu)筑兼具高拉伸強(qiáng)度、高韌性以及高電導(dǎo)率的MXene纖維納米復(fù)合材料是仍一個(gè)巨大的難點(diǎn)。

同時(shí)，日常生活中由高力學(xué)性能及高電導(dǎo)率纖維的多功能織物常常用于大面積依附在物體的表面（例如：穿著在人身體上等）。但是，因織物長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中，以及存在與人體皮膚接觸造成的物理沖擊等影響，不可避免地造成其性能衰退而限制織物長(zhǎng)期使用。除此之外，因受日常保養(yǎng)（如水洗和烘干等）影響，促使纖維更加敏感易碎。于是，為了解決存在的這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)功能性纖維的構(gòu)筑的同時(shí)原位在其表面形成一層保護(hù)層是一種切實(shí)可行的辦法。然而，構(gòu)筑保護(hù)層的功能性纖維不但需要額外的繁瑣制備步驟，還會(huì)造成功能性纖維和保護(hù)層之間的界面作用問(wèn)題。因此，能夠開(kāi)發(fā)出連續(xù)精準(zhǔn)可控構(gòu)筑實(shí)用性功能性纖維并原位形成保護(hù)層的制備策略具有重要意義。

成果簡(jiǎn)介

近日，新加坡南洋理工大學(xué)魏磊教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種連續(xù)可控的制備策略實(shí)現(xiàn)兼具高力學(xué)強(qiáng)度、高韌性和高電導(dǎo)率的高密實(shí)MXene纖維納米復(fù)合材料的構(gòu)筑。該團(tuán)隊(duì)主要通過(guò)濕法紡絲與熱拉法相結(jié)合制備高密實(shí)性MXene纖維納米復(fù)合材料并原位在纖維表面形成聚碳酸酯（PC）聚合物保護(hù)層（如圖1）。因存在界面作用與熱拉誘導(dǎo)應(yīng)力的協(xié)同作用，不但提升了纖維納米復(fù)合材料的取向性，同時(shí)減少了孔隙，使纖維進(jìn)一步密實(shí)化。構(gòu)筑的高密性MXene纖維不僅擁有高力學(xué)強(qiáng)度（585.5 MPa）和高韌性（66.7 MJ m-3）以及高電導(dǎo)率（8802.4 S cm-1），同時(shí)還具有高機(jī)械循環(huán)耐久性能。

與此同時(shí)，研究人員進(jìn)一步基于制備的高密實(shí)MXene纖維納米復(fù)合材料通過(guò)機(jī)織編織和人工編織兩種編織方式實(shí)現(xiàn)大面積織物的制備（如圖2）。因此，由纖維編織的織物不但具有高電磁屏蔽性能以及高熱管理性能；而且還具有抗形變穩(wěn)定性和耐水洗等織物特性。除此之外，經(jīng)過(guò)研究，含有高密實(shí)MXene纖維納米復(fù)合材料織物的織物特性如懸垂系數(shù)和水蒸氣透過(guò)率等并無(wú)影響棉織物本身的織物特性，從而驗(yàn)證了其實(shí)用價(jià)值。因此，開(kāi)發(fā)的新策略為構(gòu)筑其他高密實(shí)功能性纖維納米復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

該成果在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊?Nature Communications上，題目為：Ultra-compact MXene fibers by continuous and controllable synergy of interfacial interactions and thermal drawing-induced stresses。

文章的通訊作者為魏磊教授和程群峰教授。

圖文導(dǎo)讀

圖1.?濕法紡絲法和熱拉法結(jié)合制備高密實(shí)MXene纖維過(guò)程示意圖。(a)制備流程圖。MXene纖維納米復(fù)合材料的SEM形貌圖、WAXS/SAXS散射圖以及力學(xué)應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(b)純MXene纖維；(c)MGP纖維；(d)MGP-T纖維。

圖2.?濕法紡絲法利用界面協(xié)同作用制備MGP纖維納米復(fù)合材料。(a)數(shù)米長(zhǎng)MGP纖維展示。?(b)FTIR光譜圖。(c)Ti 2p譜圖。(d)O 1s譜圖。(e)MXene與GA及PVA界面作用結(jié)構(gòu)示意圖。(f)不同含量PVA的MGP纖維的WAXS/SAXS圖。(g)?不同含量PVA的MGP纖維取向因子比較。(h)?不同含量PVA的MGP纖維密度和孔隙率比較。?(i)?不同含量PVA的MGP纖維拉伸強(qiáng)度和韌性比較。

圖3.?熱拉法制備MGP-T纖維機(jī)理。(a)MGP纖維原位變溫XRD。?(b)原位變溫XRD層間距變化。(c)?MGP纖維變溫過(guò)程中孔隙率的變化趨勢(shì)。(d)熱拉過(guò)程機(jī)理示意圖。(e)數(shù)米長(zhǎng)MGP-T纖維展示圖。

圖4.?熱拉法制備MGP-T纖維的性能。(a)不同拉進(jìn)比MGP纖維的取向因子比較。?(b)孔隙率和電導(dǎo)率比較。(c)?拉伸強(qiáng)度和韌性比較。(d)與已報(bào)道的MXene纖維納米復(fù)合材料在電導(dǎo)率和拉伸強(qiáng)度性能上的比較。(e)熱拉過(guò)程中的有限元模擬分析過(guò)程。

圖5.大面積編織織物展示及織物性能。(a)基于高密實(shí)MGP-T纖維機(jī)器編織的大面積織物。(b)?人工編織的織物展示。(c)編織物在不同變形狀態(tài)下的電熱穩(wěn)定性能。(d)織物的水洗循環(huán)穩(wěn)定性能。無(wú)MGP-T纖維織物與織入MGP-T機(jī)織編織物懸垂系數(shù)(e)和(f)水蒸氣透過(guò)率性能的比較。

總結(jié)

本文開(kāi)發(fā)出一種采用濕法紡絲法和熱拉法相結(jié)合有效且連續(xù)性制備策略，制備高密實(shí)MXene纖維納米復(fù)合材料并在其表面原位形成一層保護(hù)層。由于界面作用和熱拉誘導(dǎo)應(yīng)力的協(xié)同作用，纖維納米復(fù)合材料的取向性得到提高，并且MXene納米片層間的孔隙率得到有效地降低，造成MXene纖維納米復(fù)合材料擁有高力學(xué)性能和高電導(dǎo)率。另外，纖維納米復(fù)合材料不僅具有良好的電磁屏蔽性能，而且還具有高抗機(jī)械耐久電熱穩(wěn)定性能以及水洗性能。同時(shí)，由高密實(shí)纖維納米復(fù)合材料機(jī)織編織的編織物可在復(fù)雜的變形狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。所得結(jié)果表明新開(kāi)發(fā)的制備策略為制備多功能高密實(shí)纖維開(kāi)辟了新道路，從而廣泛應(yīng)用于智能織物領(lǐng)域。除此之外，該策略可廣泛應(yīng)用于各種納米結(jié)構(gòu)功能材料的高性能纖維的制備，從根本上提高其性能以滿足各種需求。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32361-6

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