J. Mater. Chem. A｜有机-无机杂化Ti₃C₂功能化纤维素基纺织品作为新兴可穿戴材料用于生物防护/热管理/EMI

研究背景

近年来，智能纺织材料因其灵活、舒适、可多次洗涤等特点，以及在能量收集储存转化、智能传感、人体监测等多个领域的潜在应用，引起了巨大的研究兴趣。具有运动监测、人机交互、电磁干扰 (EMI) 屏蔽和医疗保健功能的电子产品，被认为是下一代可穿戴电子产品的主要竞争者。然而，将新颖的功能与纺织基材固有的舒适性、渗透性和多孔性相结合仍然是一个挑战。目前，已有石墨烯、碳纳米管 (CNT)、氮化硼、金属纳米粒子、导电聚合物和其它活性纳米结构材料通过各种方法装饰聚合物或生物基纺织品。尽管将纳米结构材料结合到纺织品中可以使其具有电热或光热活性，但机械变形（如清洁、刮擦和/或弯曲）会导致沉积的功能性材料剥落或破裂，从而影响织物的导电性和导热性，最终导致可穿戴智能纺织品的各种功能无法实现。此外，可穿戴电子产品的快速增长加剧了电磁辐射污染，构成严重的健康风险。

为了解决这些问题，我们通过有机-无机杂化的方式，制备了用于生物防护、热管理和电磁干扰屏蔽的纤维素基可穿戴智能纺织品。首先，为了给MXene纳米片提供更多形成氢键的活性位点，将多巴胺(DA)原位聚合于纤维素纤维表面，同时通过多次浸渍的方式将MXene层组装在纤维素基无纺布表面。随后，在MXene层外原位聚合聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）层，这不仅降低了MXene的表面能，增加了PDA/MXenes/PGMA纤维素纺织品的疏水性，还使MXene免受氧化，同时为抗菌材料的共价接枝提供环氧基团。所制备的透气、疏水智能织物具有出色的抗菌性能以及优异的电热和光热响应性能。此外，智能纺织品在EMI屏蔽性能方面优于先前报道的其他纺织纤维基屏蔽材料，这为个人防护、热管理和医疗保健多功能纺织品的制备提供了新策略。

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，南京林业大学邓超博士和加拿大新不伦瑞克大学(University of New Brunswick)Huining Xiao教授等通过层层组装有机-无机杂化方法，制备出具有出色抗菌活性、热管理和电磁干扰(EMI)屏蔽性能的多功能纤维素基纺织品。将高导电性MXene修饰在聚多巴胺(PDA)改性的纤维素基无纺布上，然后原位聚合甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)，生成的PGMA层不仅有利于抗菌材料的共价接枝，而且使MXene免受氧化。该智能纺织品具有优异的抗菌性能（材料对E. coli 和S. aureus的抗菌效率均大于99.99%）、卓越的加热性能（双驱动能量转换、快速热响应），以及出色的EMI屏蔽效率，同时仍保持无纺布的孔隙率和柔韧性。这种多功能可穿戴纺织品在生物防护、热管理和EMI屏蔽方面的应用极具前景，是未来智能服装和医疗保健产品的理想选择。

该成果被选为封底文章发表于国际顶级期刊 Journal of Materials Chemistry A (影响因子14.511) 上，题目为：Air-permeable and flexible multifunctional cellulose-based textiles for bio-protection, thermal heating conversion, and electromagnetic interference shielding。

博士生喻照川和邓超博士为本文第一作者。

图文导读

图1. CNs-P@M-PG-NEO/PHGH材料的制备及其应用示意图。

图2. 形态表征。(a)MXene(Ti₃C₂T_x)水分散体的丁达尔效应。MXene纳米片的(b)TEM和(c)AFM图像。(d)CNs，(e)CNs-P，(f)CNs-P@M，(g)CNs-P@M-PG，(h)CNs-P@M-PG-NEO，(i)CNs-P@MPG-PHGH的SEM图像。(j)CNs-P@M-PG-PHGH材料单根纤维的形貌和对应的(k)EDS图像。(l)分别用CNs和CNs-P@M-PG-PHGH覆盖2个装有HCl和NH₄OH的玻璃瓶的光学照片。d-i中插图分别为对应的WCA光学照片。

图3. 抗菌性能。不同接触时间下，CNs，CNs-P，CNs-P@M，CNs-P@M-PG，CNs-P@M-PG-NEO和CNs-P@M-PG-PHGH对(a)E. coli 和(b)S. aureus 的抗菌效率。(c)CNs-P@M-PG-NEO和(d)CNs-P@M-PG-PHGH在不同浓度下的抗菌效率(反应液中NEO/PHGH的质量浓度分别为0.1，1，25，50，100 mg mL^-1)。(e)CNs-P@M-PG-NEO和(f)CNs-P@M-PG-PHGH(50 mg mL^-1)在多次洗涤后对E. coli 和S. aureus的抗菌效率。(g)CNs-P@M-PG-NEO和CNs-P@M-PG-PHGH处理前后E. coli 和S. aureus 的SEM图像。(h) CNs-P@M-PG-PHGH的抗菌机制。

图4. Ns-P@M-PG-PHGH材料的电热和光热性能。 (a)CNs-P@M-PG-PHGH的I-V曲线。(b)不同电压下CNs-P@M-PG-PHGH(MXene含量：1.5 mg cm^-2)随时间变化的电加热曲线。(c)不同变形状态下CNs-P@M-PG-PHGH的红外和光学图像(输入电压: 4 V)。(d)CNs-P@M-PG-PHGH在1200 s内的电热稳性(输入电压：4 V)。(e)不同时间电加热水的红外和光学图像。(f)用模拟可见光源(滤光片: 350-780 nm)照射CNs-P@M-PG-PHGH的示意图。 (g)不同角度光源(0°、30°和60°)照射下CNs-P@M-PG-PHGH温度随时间的变化曲线。(h)模拟光源(1.0 W cm^-2)垂直(0°)照射不同时间间隔后CNs-P@M-PG-PHGH的红外图像。(i)不断增大功率密度(0.50-1.25 W cm^-2)时CNs-P@M-PG-PHGH的温度曲线。(j)不同时间的太阳光照射CNs-P@M-PG-PHGH的红外图像(4月23日，中国南京)。(k)用模拟光源(0.75 W cm^-2)照射CNs-P@M-PG-PHGH包覆的手臂和膝盖的光学和红外图像。

图5. CNs-P@M-PG-PHGH材料的EMI屏蔽性能。不同MXene负载量的CNs-P@M-PG-PHGH在8.2-12.4 GHz频率(X波段)下的(a)SE_T、(b)SE_R和(c)SE_A。(d)不同MXene负载量的CNs-P@M-PG-PHGH在8.2-12.4 GHz频率的平均SE_R、SE_A和SE_T。(e)CNs-P@M-PG-PHGH的SE_A与SE_T的比率。(f)具有不同MXene负载的CNs-P@M-PG-PHGH的功率系数。(g)CNs-P@M-PG-PHGH的EMI屏蔽机制。(h)CNs-P@M-PG-PHGH单位涂层厚度的EMI屏蔽效能(SE_T/t)与文献报道的其他EMI屏蔽涂层织物的比较。

总结

在这项工作中，我们通过层层组装有机-无机杂化方法，成功制备了用于生物防护、热管理和EMI屏蔽的抗菌和导电纤维素基纺织品。在纤维素基无纺布表面原位聚合的PDA层，能够通过氢键将MXene纳米片牢固地固定在纤维表面，形成的MXene导电网络通过 PGMA层与PHGH/NEO 抗菌材料共价连接。可调的导电性能和抗菌效率，以及被保留的织物柔韧性和多孔特性，赋予了智能纺织品出色的抗菌活性、卓越的加热性能和EMI屏蔽效率，使其在生物防护、个人热管理和智能医疗等领域具有广阔的应用前景。

文献链接

https://doi.org/10.1039/d2ta04706c

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