mxene 学术专题
芳纶@MXene同轴电磁屏蔽纤维：高强、高韧、耐极端环境
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详细介绍
北科纳米可提供同轴湿法纺丝制备ANF@MXene核壳纤维(可定制)
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
本文亮点
1. 采用同轴湿法纺丝法制备出超韧和高强的ANF@MXene核壳纤维。
2. 核壳纤维的韧性高达48.1 MJ m⁻3，拉伸强度为502.9 MPa。3. ANF@MXene纤维在极端环境条件下具有优异化学稳定性。
内容简介
虽然MXene材料同时具有高导电性能和亲水性，在多功能纤维和织物领域具有良好的应用前景，但是由于MXene纳米片的刚性和层间作用力不足，很难同时提升MXene纤维的导电性能和力学性能。为此，我们采用核壳湿法纺丝制备了高导电、超韧、高强和环境稳定性好的以MXene为核、芳纶纳米纤维(ANF)为壳的核壳纤维。纤维的高取向和低缺陷结构使得其具有48.1 MJ m⁻3的超韧性、502.9 MPa的高强度和3.0 x10⁵ S m⁻1 的高电导率。这种超韧且导电的ANF@MXene核壳纤维可以编织为织物，在213 μm厚度下的电磁屏蔽效能为83.4 dB。ANF外壳的保护作用还赋予了纤维在动态拉伸和弯折形变下令人满意的循环稳定性和耐酸、耐碱、耐海水和耐高低温性能。核壳纤维还具有优秀的抗氧化性能。多功能核壳纤维在电磁屏蔽织物、可穿戴电子器件和航空航天领域具有良好发展前景。
图文导读
I 同轴湿法纺丝制备ANF@MXene核壳纤维在保留MXene材料自身电导率前提下大幅提升MXene纤维的韧性和拉伸强度具有重要意义。如图1a,b所示，采用同轴湿法纺丝法，将ANF作为壳层纺丝液，MXene为核层纺丝液，在流体牵伸下制备出高取向、超韧、高强和高导电的ANF@M核壳纤维，其中氯化铵水相凝固浴中水对ANF的质子化作用，铵根离子对MXene的交联作用以及MXene与ANF间氢键作用有利于提高纤维的机械性能。利用小角X射线散射和广角X射线散射表征了纯MXene纤维和不同纺丝条件下的ANF@M纤维的取向性(图1c-e)，其中纯MXene纤维的牵伸比定为1.1，浓度为50 mg mL⁻1。结果证明：在相同纺丝条件下，ANF@M纤维具有比纯MXene纤维更高的取向程度。ANF外壳相当于微流体纺丝中的限域管道，MXene纺丝液在ANF壳层的限域作用下定向排列能力更强，取向度更高。
图1. (a) 同轴湿法纺丝法制备ANF@M核壳纤维；(b) ANF质子化过程及其与MXene界面相互作用；(c) MXene纤维和(d,e) ANF@M纤维的(c1,d1,e1)断面SEM图、(c2,d2,e2) SAXS图和(c3,d3,e3) WAXS图。
II ANF@MXene核壳纤维的力学性能和断裂行为
从图2a,b可以看出，ANF@M纤维相比于纯MXene纤维，拉伸强度和韧性得到大幅提升。同时，降低MXene核层的浓度进一步提升了核壳纤维的力学性能。韧性的ANF@M纤维可以打成死结，并可支撑100 g砝码做圆周运动(图2c)。拉断后的ANF@M纤维的断面SEM图中MXene片层的卷边状表明MXene的韧性断裂，同时定向排列的ANF微纤维簇也有利于提高纤维韧性。此外，MXene和ANF间氢键作用增强了界面结合(图2d-i)。图2j形象展示了纤维韧性断裂的过程。
图2. MXene纤维和ANF@M纤维的(a)应力-应变曲线、(b)拉伸强度、和韧性的比较图;(c)打成死结的ANF@M纤维的SEM图，单根ANF@M纤维可支撑一个100 g砝码做圆周运动。图中白色标尺为1 mm；ANF@M纤维的(d,g)的断裂表面，(e,f)MXene核和(h,i)ANF壳断面的SEM图；(j)ANF@M纤维的拉伸断裂过程图示。
III ANF@MXene核壳纤维的导电和电磁屏蔽性能
超韧与高强的ANF@M纤维还具有优异电导率(图3a)。在牵伸比为1.1的条件下，ANF@M纤维电导率约为3 x 10⁵ S m⁻1。而纯MXene纤维因其取向度低，导电通路不完善，电导率约为2.1 x 10⁵ S m⁻1。研究结果证明，具有核壳结构的导电纤维不仅显著提升力学性能，还提升导电性能，提供了通过合理结构设计解决导电复合纤维领域中导电性能和力学性能不易兼得的方法。韧性和高导电的ANF@M纤维具有优异耐动态拉伸疲劳性能，可以作为导线使用(图3b-e)。本工作所制备的ANF@M纤维的导电性能和机械性能优良(图3f)。纤维织物展示出优秀电磁屏蔽性能，在动态弯折5000次循环后的屏蔽性能依然稳定(图3g, h)，具有以吸收为主屏蔽机制(图3i)。
图3. (a) 不同纤维的电导率比较图；ANF@M纤维在(b)弹性阶段和(c)塑性阶段的循环拉伸曲线以及相应(d)电阻变化；(e)单根ANF@M纤维可支撑200 g砝码，在弯折状态下可以点亮LED灯；(f) MXene基纤维的导电性能和力学性能的比较；(g) 17-1.1-50M织物的EMI 效果随孔尺寸和织物厚度的变化图；(h)弯折5000圈后的EMI屏蔽曲线；(i)ANF@M织物EMI屏蔽机制。
IV ANF@MXene核壳纤维在极端环境条件下的稳定性
ANF@M核壳纤维具有优异的抗氧化性能，且可以耐受强酸、强碱、水蒸气、海水、以及高温(300 ℃)和低温(-196 ℃)，遇火不燃不熔(图4)。在这些极端环境条件下其电阻和电磁屏蔽性能基本保持稳定, 表明轻质、高强和超韧的ANF@M纤维的环境稳定性好，在航空、极地工作站、可穿戴电子和人工智能材料领域具有良好发展前景。
图4. ANF@MXene纤维的(a-c)抗氧化性能；(d)耐强酸、强碱；(e,f) 耐湿气；(g) 耐海水；(h)耐高低温和(i)不燃性。
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