北科納米可提供同軸濕法紡絲制備ANF@MXene核殼纖維(可定制)

隨著可穿戴電子器件的發(fā)展，導(dǎo)電、高強(qiáng)和耐極端環(huán)境的纖維具有重要研究價(jià)值。過渡金屬碳/氮化物(MXene)同時(shí)具有高導(dǎo)電和親水特性，相比于傳統(tǒng)碳納米材料更適于制備導(dǎo)電纖維。但是影響MXene基導(dǎo)電纖維發(fā)展的關(guān)鍵問題在于MXene懸浮液的可紡性差以及纖維的力學(xué)性能低。同時(shí)，MXene易于氧化也是一個(gè)不利因素。為此，我們通過同軸濕法紡絲方法，以導(dǎo)電MXene為核層，芳綸納米纖維(ANF)為殼層，制備出超韌、高強(qiáng)、高導(dǎo)電和環(huán)境穩(wěn)定性好的ANF@MXene核殼纖維。高性能ANF外殼在提升MXene可紡性和增強(qiáng)MXene基纖維的力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性上發(fā)揮了重要作用。高度取向的ANF@MXene核殼纖維解決了MXene纖維的導(dǎo)電性能和高力學(xué)性能不能兼得的難題，兼顧了高導(dǎo)電、超韌性、高拉伸強(qiáng)度和環(huán)境穩(wěn)定性。

Super-Tough and Environmentally Stable Aramid Nanofiber@MXene Coaxial Fibers with Outstanding Electromagnetic Interference Shielding Efficiency

Liu-Xin Liu, Wei Chen, Hao-Bin Zhang*, Lvxuan Ye, Zhenguo Wang, Yu Zhang,Peng Min, and Zhong-Zhen Yu*

Nano-Micro Letters (2022)14: 111

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00853-1

本文亮點(diǎn)

1.?采用同軸濕法紡絲法制備出超韌和高強(qiáng)的ANF@MXene核殼纖維。

2.?核殼纖維的韌性高達(dá)48.1 MJ m?3，拉伸強(qiáng)度為502.9 MPa。
3.?ANF@MXene纖維在極端環(huán)境條件下具有優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性。

內(nèi)容簡介

雖然MXene材料同時(shí)具有高導(dǎo)電性能和親水性，在多功能纖維和織物領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但是由于MXene納米片的剛性和層間作用力不足，很難同時(shí)提升MXene纖維的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。為此，我們采用核殼濕法紡絲制備了高導(dǎo)電、超韌、高強(qiáng)和環(huán)境穩(wěn)定性好的以MXene為核、芳綸納米纖維(ANF)為殼的核殼纖維。纖維的高取向和低缺陷結(jié)構(gòu)使得其具有48.1 MJ m?3的超韌性、502.9 MPa的高強(qiáng)度和3.0 x10? S m?1?的高電導(dǎo)率。這種超韌且導(dǎo)電的ANF@MXene核殼纖維可以編織為織物，在213 μm厚度下的電磁屏蔽效能為83.4 dB。ANF外殼的保護(hù)作用還賦予了纖維在動(dòng)態(tài)拉伸和彎折形變下令人滿意的循環(huán)穩(wěn)定性和耐酸、耐堿、耐海水和耐高低溫性能。核殼纖維還具有優(yōu)秀的抗氧化性能。多功能核殼纖維在電磁屏蔽織物、可穿戴電子器件和航空航天領(lǐng)域具有良好發(fā)展前景。

圖文導(dǎo)讀

I?同軸濕法紡絲制備ANF@MXene核殼纖維

在保留MXene材料自身電導(dǎo)率前提下大幅提升MXene纖維的韌性和拉伸強(qiáng)度具有重要意義。如圖1a,b所示，采用同軸濕法紡絲法，將ANF作為殼層紡絲液，MXene為核層紡絲液，在流體牽伸下制備出高取向、超韌、高強(qiáng)和高導(dǎo)電的ANF@M核殼纖維，其中氯化銨水相凝固浴中水對(duì)ANF的質(zhì)子化作用，銨根離子對(duì)MXene的交聯(lián)作用以及MXene與ANF間氫鍵作用有利于提高纖維的機(jī)械性能。利用小角X射線散射和廣角X射線散射表征了純MXene纖維和不同紡絲條件下的ANF@M纖維的取向性(圖1c-e)，其中純MXene纖維的牽伸比定為1.1，濃度為50 mg mL?1。結(jié)果證明：在相同紡絲條件下，ANF@M纖維具有比純MXene纖維更高的取向程度。ANF外殼相當(dāng)于微流體紡絲中的限域管道，MXene紡絲液在ANF殼層的限域作用下定向排列能力更強(qiáng)，取向度更高。

圖1.?(a) 同軸濕法紡絲法制備ANF@M核殼纖維；(b) ANF質(zhì)子化過程及其與MXene界面相互作用；(c) MXene纖維和(d,e) ANF@M纖維的(c1,d1,e1)斷面SEM圖、(c2,d2,e2) SAXS圖和(c3,d3,e3) WAXS圖。

II?ANF@MXene核殼纖維的力學(xué)性能和斷裂行為

從圖2a,b可以看出，ANF@M纖維相比于純MXene纖維，拉伸強(qiáng)度和韌性得到大幅提升。同時(shí)，降低MXene核層的濃度進(jìn)一步提升了核殼纖維的力學(xué)性能。韌性的ANF@M纖維可以打成死結(jié)，并可支撐100 g砝碼做圓周運(yùn)動(dòng)(圖2c)。拉斷后的ANF@M纖維的斷面SEM圖中MXene片層的卷邊狀表明MXene的韌性斷裂，同時(shí)定向排列的ANF微纖維簇也有利于提高纖維韌性。此外，MXene和ANF間氫鍵作用增強(qiáng)了界面結(jié)合(圖2d-i)。圖2j形象展示了纖維韌性斷裂的過程。

圖2.?MXene纖維和ANF@M纖維的(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、(b)拉伸強(qiáng)度、和韌性的比較圖;(c)打成死結(jié)的ANF@M纖維的SEM圖，單根ANF@M纖維可支撐一個(gè)100 g砝碼做圓周運(yùn)動(dòng)。圖中白色標(biāo)尺為1 mm；ANF@M纖維的(d,g)的斷裂表面，(e,f)MXene核和(h,i)ANF殼斷面的SEM圖；(j)ANF@M纖維的拉伸斷裂過程圖示。

III?ANF@MXene核殼纖維的導(dǎo)電和電磁屏蔽性能

超韌與高強(qiáng)的ANF@M纖維還具有優(yōu)異電導(dǎo)率(圖3a)。在牽伸比為1.1的條件下，ANF@M纖維電導(dǎo)率約為3 x 10? S m?1。而純MXene纖維因其取向度低，導(dǎo)電通路不完善，電導(dǎo)率約為2.1 x 10? S m?1。研究結(jié)果證明，具有核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維不僅顯著提升力學(xué)性能，還提升導(dǎo)電性能，提供了通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決導(dǎo)電復(fù)合纖維領(lǐng)域中導(dǎo)電性能和力學(xué)性能不易兼得的方法。韌性和高導(dǎo)電的ANF@M纖維具有優(yōu)異耐動(dòng)態(tài)拉伸疲勞性能，可以作為導(dǎo)線使用(圖3b-e)。本工作所制備的ANF@M纖維的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能優(yōu)良(圖3f)。纖維織物展示出優(yōu)秀電磁屏蔽性能，在動(dòng)態(tài)彎折5000次循環(huán)后的屏蔽性能依然穩(wěn)定(圖3g, h)，具有以吸收為主屏蔽機(jī)制(圖3i)。

圖3. (a) 不同纖維的電導(dǎo)率比較圖；ANF@M纖維在(b)彈性階段和(c)塑性階段的循環(huán)拉伸曲線以及相應(yīng)(d)電阻變化；(e)單根ANF@M纖維可支撐200 g砝碼，在彎折狀態(tài)下可以點(diǎn)亮LED燈；(f) MXene基纖維的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的比較；(g) 17-1.1-50M織物的EMI 效果隨孔尺寸和織物厚度的變化圖；(h)彎折5000圈后的EMI屏蔽曲線；(i)ANF@M織物EMI屏蔽機(jī)制。

IV?ANF@MXene核殼纖維在極端環(huán)境條件下的穩(wěn)定性

ANF@M核殼纖維具有優(yōu)異的抗氧化性能，且可以耐受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、水蒸氣、海水、以及高溫(300?℃)和低溫(-196 ℃)，遇火不燃不熔(圖4)。在這些極端環(huán)境條件下其電阻和電磁屏蔽性能基本保持穩(wěn)定, 表明輕質(zhì)、高強(qiáng)和超韌的ANF@M纖維的環(huán)境穩(wěn)定性好，在航空、極地工作站、可穿戴電子和人工智能材料領(lǐng)域具有良好發(fā)展前景。

圖4.?ANF@MXene纖維的(a-c)抗氧化性能；(d)耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿；(e,f) 耐濕氣；(g)?耐海水；(h)耐高低溫和(i)不燃性。