流体学辅助热拉伸技术实现超强导电 MXene 纤维

研究背景

由于 MXene 纳米片具有包括 -OH、-O 和 -F 在内的表面末端分子(Tx)，因此可以通过流体力学辅助组装工艺从溶液中的单个 MXene 纳米片制造出宏观 MXene 纤维，从而有可能开发出具有高机械性能、电性能和电磁性能的柔性纺织设备。由于MXene 溶液具有液晶特性，在剪切流作用下，预先对齐的 MXene 纳米片可直接形成具有有序结构的宏观纤维。目前，已有一些方法可用于利用 MXene (Ti3C2Tx) 纳米片制造宏观MXene 纤维，例如湿法纺丝、电纺丝、热拉伸、涂层和旋法。虽然通过与纳米片离子和聚合物等交联剂的相互作用，已成功制造出具有理想机械性能和导电性能的宏观 MXene 纤维。然而由于 MXene 纳米片的微结构层固有的松散性，要在宏观形式上保持其固有的机械性能和导电性是一项挑战。因此，由微结构缺陷(如空隙和皱褶)和 MXene 纳米片之间不良的层间相互作用造成的松散结构，确实限制了MXene 纤维机械和电气性能的全面提升。

然而，在极端条件下和与人体皮肤接触时，功能纺织品会受到物理冲击而发生移动和变形，并且对洗涤和干燥敏感而脆弱，这通常会导致这些纤维的性能下降，无法长期使用。然而，虽然带保护层制备的宏观 MXene 纤维的韧性和拉伸强度得到了提高，但 MXene 纳米片的夹层中仍存在较多的微观结构缺陷，如皱褶和空洞、残留水分子和交联剂，导致导电性能较差。最近，通过湿法纺丝和热拉伸的连续可控方式，展示了超紧凑的 MXene 纤维。然而，由于引入了交联剂作为粘合剂以增强机械性能，MXene 纳米片材的导电性能很难得到充分发挥，仍需额外的加工步骤。

研究成果

高性能 MXene 纤维一直是柔性纺织品设备的重要关注点。然而，由于 MXene 纳米片的微结构松散不可控，实现高机械性能和导电性仍然具有挑战性。在此，北京航空航天大学程群峰&南洋理工大学魏磊教授等人展示了通过流体力学辅助热拉伸直接获得的高性能 MXene 纤维。由于热拉伸引起的应力，外层环烯烃共聚物和内层 MXene 纳米片之间的界面层形成了片状互锁，从而形成了数千米长的宏观紧凑型MXene 纤维，具有超高的拉伸强度、韧性和出色的导电性。此外，由这些纤维制成的大规模编织纺织品还具有优异的电磁干扰屏蔽性能，以及出色的耐用性和稳定性。这种有效且可持续的方法可用于生产应用于日常生活和航空航天领域的功能性纤维。相关研究以“Interlocking-Governed Ultra-Strong and Highly Conductive MXene Fibers Through Fluidics-Assisted Thermal Drawing”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. A process flow to fabricate strong macroscopic MXene fibers.

Figure 2. Orientation and porosity of MXene fibers through fluidics-assisted thermal drawing.

Figure 3. Mechanical and electrical properties of MXene fibers.

Figure 4. Fracture mechanism of COC-MXene fibers.

Figure 5. Large-scale woven textiles for EMI shielding.

总结与展望

这项工作展示了一种连续的策略，即通过流体辅助热拉伸技术，直接制备出具有原位生成的COC 保护层和界面层片剂互锁的强韧宏观 MXene 纤维。由于热拉伸产生了轴向和垂直应力，COC 聚合物链和内部 MXene 纤维的排列得到了显著改善，MXene 纳米片之间的孔隙率也大大降低。因此，所制备的具有紧凑微观结构的宏观 MXene 纤维不仅具有超高的抗拉强度和韧性，而且内部 MXene 纤维还具有出色的导电性。对断裂机理进行了研究，这主要是由于界面层的片剂互锁、高取向和低孔隙率的致密 MXene 纳米片的滑动冲击以及 COC链促进排列的裂纹。然后，由两种具有显著 EMI 屏蔽性能的 MXene 纤维编织而成的纺织品有效地实现了大规模应用，即使在各种极端环境下也具有卓越的耐用性和稳定性。研究结果表明，所展示的策略为制造具有紧凑微结构和优异性能的强韧纤维提供了一条通用路线为实现智能纺织品铺平了道路。事实上，通过这种有效的策略，可以从各种纳米结构功能材料中制备出大量多功能纤维，最终提高纤维的性能和适用性，满足不同的要求。

文献链接

Interlocking-Governed Ultra-Strong and Highly Conductive MXene Fibers Through Fluidics-Assisted Thermal Drawing

https://doi.org/10.1002/adma.202305807

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