Nat. Commun.｜界面作用/热拉诱导应力协同实现高密实性MXene纤维的可控构筑
研究摘要
多功能性纤维组成的智能可穿戴织物广泛应用于人类人机交互、健康管理、移动监测、疾病防护、智能机器人等人类生活中。Ti3C2Tx（MXene）纳米片因其本身优异的电导率和高力学性能被看作是制备多功能纤维器件的理想基础材料。迄今，大量研究方法如湿法纺丝、静电纺丝法、加捻法以及包裹法等来实现MXene纤维纳米复合材料的构筑。但因MXene纳米片层间结构缺陷（如孔隙和褶皱）和存在的弱界面作用引起的层间疏松，导致纤维纳米复合材料中本征MXene纳米片的高力学性能和电导率性能很难实现充分的利用。因此，构筑兼具高拉伸强度、高韧性以及高电导率的MXene纤维纳米复合材料是仍一个巨大的难点。
同时，日常生活中由高力学性能及高电导率纤维的多功能织物常常用于大面积依附在物体的表面（例如：穿着在人身体上等）。但是，因织物长期暴露在环境中，以及存在与人体皮肤接触造成的物理冲击等影响，不可避免地造成其性能衰退而限制织物长期使用。除此之外，因受日常保养（如水洗和烘干等）影响，促使纤维更加敏感易碎。于是，为了解决存在的这些问题，实现功能性纤维的构筑的同时原位在其表面形成一层保护层是一种切实可行的办法。然而，构筑保护层的功能性纤维不但需要额外的繁琐制备步骤，还会造成功能性纤维和保护层之间的界面作用问题。因此，能够开发出连续精准可控构筑实用性功能性纤维并原位形成保护层的制备策略具有重要意义。
成果简介
我最爱你的一刹那给你打电话你没接，等你看到来电提醒再打回来的时候很可能我就不爱你了。——暖小团
近日，新加坡南洋理工大学魏磊教授团队开发出一种连续可控的制备策略实现兼具高力学强度、高韧性和高电导率的高密实MXene纤维纳米复合材料的构筑。该团队主要通过湿法纺丝与热拉法相结合制备高密实性MXene纤维纳米复合材料并原位在纤维表面形成聚碳酸酯（PC）聚合物保护层（如图1）。因存在界面作用与热拉诱导应力的协同作用，不但提升了纤维纳米复合材料的取向性，同时减少了孔隙，使纤维进一步密实化。构筑的高密性MXene纤维不仅拥有高力学强度（585.5 MPa）和高韧性（66.7 MJ m-3）以及高电导率（8802.4 S cm-1），同时还具有高机械循环耐久性能。
与此同时，研究人员进一步基于制备的高密实MXene纤维纳米复合材料通过机织编织和人工编织两种编织方式实现大面积织物的制备（如图2）。因此，由纤维编织的织物不但具有高电磁屏蔽性能以及高热管理性能；而且还具有抗形变稳定性和耐水洗等织物特性。除此之外，经过研究，含有高密实MXene纤维纳米复合材料织物的织物特性如悬垂系数和水蒸气透过率等并无影响棉织物本身的织物特性，从而验证了其实用价值。因此，开发的新策略为构筑其他高密实功能性纤维纳米复合材料提供了理论基础和技术手段。
该成果在线发表于国际顶级期刊 Nature Communications上，题目为：Ultra-compact MXene fibers by continuous and controllable synergy of interfacial interactions and thermal drawing-induced stresses。
文章的通讯作者为魏磊教授和程群峰教授。
图文导读
图1. 湿法纺丝法和热拉法结合制备高密实MXene纤维过程示意图。(a)制备流程图。MXene纤维纳米复合材料的SEM形貌图、WAXS/SAXS散射图以及力学应力-应变曲线：(b)纯MXene纤维；(c)MGP纤维；(d)MGP-T纤维。
图2. 湿法纺丝法利用界面协同作用制备MGP纤维纳米复合材料。(a)数米长MGP纤维展示。 (b)FTIR光谱图。(c)Ti 2p谱图。(d)O 1s谱图。(e)MXene与GA及PVA界面作用结构示意图。(f)不同含量PVA的MGP纤维的WAXS/SAXS图。(g) 不同含量PVA的MGP纤维取向因子比较。(h) 不同含量PVA的MGP纤维密度和孔隙率比较。 (i) 不同含量PVA的MGP纤维拉伸强度和韧性比较。
图3. 热拉法制备MGP-T纤维机理。(a)MGP纤维原位变温XRD。 (b)原位变温XRD层间距变化。(c) MGP纤维变温过程中孔隙率的变化趋势。(d)热拉过程机理示意图。(e)数米长MGP-T纤维展示图。
图4. 热拉法制备MGP-T纤维的性能。(a)不同拉进比MGP纤维的取向因子比较。 (b)孔隙率和电导率比较。(c) 拉伸强度和韧性比较。(d)与已报道的MXene纤维纳米复合材料在电导率和拉伸强度性能上的比较。(e)热拉过程中的有限元模拟分析过程。
图5.大面积编织织物展示及织物性能。(a)基于高密实MGP-T纤维机器编织的大面积织物。(b) 人工编织的织物展示。(c)编织物在不同变形状态下的电热稳定性能。(d)织物的水洗循环稳定性能。无MGP-T纤维织物与织入MGP-T机织编织物悬垂系数(e)和(f)水蒸气透过率性能的比较。
总结
本文开发出一种采用湿法纺丝法和热拉法相结合有效且连续性制备策略，制备高密实MXene纤维纳米复合材料并在其表面原位形成一层保护层。由于界面作用和热拉诱导应力的协同作用，纤维纳米复合材料的取向性得到提高，并且MXene纳米片层间的孔隙率得到有效地降低，造成MXene纤维纳米复合材料拥有高力学性能和高电导率。另外，纤维纳米复合材料不仅具有良好的电磁屏蔽性能，而且还具有高抗机械耐久电热稳定性能以及水洗性能。同时，由高密实纤维纳米复合材料机织编织的编织物可在复杂的变形状态下实现大规模的应用。所得结果表明新开发的制备策略为制备多功能高密实纤维开辟了新道路，从而广泛应用于智能织物领域。除此之外，该策略可广泛应用于各种纳米结构功能材料的高性能纤维的制备，从根本上提高其性能以满足各种需求。
文献链接
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32361-6
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