AFM：MXene复合物同轴纤维穿戴式应变传感器

【研究背景】

MXenes是一大类具有高导电性(高达10⁴ S cm^-1)、优异的机械性能(杨氏模量约为330 GPa)和出色的比电容(高达1500 F cm^-3)的2D材料。由于这种独特的性能组合，Ti₃C₂MXene在能源存储、传感、催化、天线和神经接口等领域得到了广泛的应用。具有高纵横比(高达10⁶)和丰富的表面官能团的MXene薄片是制备具有新功能的高分子复合材料的理想材料。与常用填料相比，MXene的一个重要应用是在同时需要导电性和弹性的复合纤维中。这种导电性和可拉伸性的结合是传感应变等物理变形的基本要求。已有好多材料被用作填料实现应变传感复合纤维。这种纤维一旦集成到织物中，就可以用于跟踪人体运动、运动训练、康复、远程健康监测和娱乐。

然而，在保持弹性聚合物纤维拉伸性能的同时提高其电学性能一直是一个巨大的挑战。这是因为引入导电填料通常会导致可纺性(形成纤维的能力)的恶化，或导致纤维的拉伸能力降低，不适合应变传感应用。虽然MXene已被证明是开发具有显著储能性能的纤维和纳米纤维的有前途的候选材料，但其开发应变传感纤维的适用性仍有待探索。之前关于Ti₃C₂T_x MXene复合膜的研究，强调了需要深入了解MXene在复合体系中的行为，以获得适合应变传感应用的机电性能平衡的纤维。

【成果简介】

近期，澳大利亚迪肯大学 Shayan Seyedin教授和美国德雷赛尔大学 Yury Gogotsi教授在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials发表一篇题目为：MXene Composite and Coaxial Fibers with High Stretchability and Conductivity for Wearable Strain Sensing Textiles的研究论文，证明，Ti₃C₂T_x MXene可以通过可扩展的湿纺工艺来实现高导电性和可拉伸纤维。文中系统地研究了MXene负载量对纤维可纺性的影响，以及MXene/PU复合纤维的形态、力学和电学性能。文中达到的掺杂阈值≈1.0 wt % MXene(体积分数φ≈2.8×10⁻³),这远远低于基于MXene的复合材料的报道值(> 6 wt % MXene)。本文表明，将MXene集成到PU中会显着提高纤维的杨氏模量（Y），从而显示高达20.3 GPa的高增强率（dY /dφ）。这个dY / dφ高于其他在相似的条件下生产的基于PU的复合纤维，如GO/PU和CNT/PU。当作为单独的纤维使用时，MXene/PU复合纤维可以检测到大的应变(高达152%)，其高的应变系数(GF)为12900(在50%应变，GF=238)，这超过了基于纤维的应变传感器的文献值。文中也以MXene/PU复合材料为护套，PU纤维为芯材，制作了同轴纤维。这种新型纤维结构进一步提高了传感性能，特别是在循环拉伸-释放变形测试中。文章发现，MXene/PU复合纤维的优异的机械性能使得它们可以用类似于普通纱线的工业规模的针织机编织成纺织品。针织物的传感应变高达200%，GF为7.5，优于现有的针织物应变传感器。使用MXene/PU复合纤维，本文编织了一个手肘袖，它可以很容易地通过向个人电脑发送信号来监测穿戴者的不同动作。这项工作表明，增强了对MXene在复合系统中的行为的理解，使得纤维的制造呈现出独特的导电性和可拉伸性的结合。

这也表明，这些基于MXenes的导电弹性纤维可以集成到应变传感纺织品中，用于实际应用，如可穿戴人体运动监测。

【图文导读】

图1.MXene/PU纤维纺丝工艺以及实物和SEM表征。

图2. MXene负载量对IPA和AcOH生产的MXene/PU纤维电导率的影响。

图3.不同条件下纺制的MXene/PU纤维的力学性能。

图4.MXene/PU纤维的机电性能表征。

图5.以MXene/PU护套、PU芯的同轴纤维的制备以及表征。

图6.MXene/PU复合纤维针织物的性能表征。

【本文总结】

本文演示了连续生产的MXene/PU复合材料和具有高导电性和可拉伸性且可以用商业规模的针织机编织成纺织品的同轴纤维。文中的MXene/PU复合纤维，在其他基于MXene的复合材料中表现出最低的掺杂阈值(1% wt%)，在其他基于PU的复合纤维中表现出最高的增强率(20.3 GPa)。结果表明，MXene/PU复合纤维对应变的检测灵敏度≈152%，且GF≈12900。文中用同轴湿纺的方法生产了含有MXene/PU护套和PU芯的纤维，与非同轴复合纤维相比，在不同的应变下循环拉伸释放变形的稳定性得到了提高。并且进一步证明，MXene/PU纤维具有足够的机械性能，可用于机械编织成具有特定环状图案的纺织品。MXene/PU四股线针织单件织物的张力感可达200%，拉伸变形达1000次以上，具有良好的稳定性。使用MXene/PU纤维，还编织了一个手肘袖，可以戴在用户的手肘上，通过无线发送信号到个人电脑来跟踪它的各种运动。这项工作提供了对MXene在弹性复合材料中的行为的详细研究，这些材料可用于其他复合材料系统，以实现实际应用所需的电学和机械性能。这项工作中开发的基于MXene的应变传感纤维和纺织品为一系列需要身体运动监测的可穿戴应用提供了一个实用的平台，如运动指导、康复和损伤预防、患者的远程健康监测、软机器人技术、虚拟现实和娱乐。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1002/adfm.201910504.

信息来源：MXene Frontier