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南開大學(xué)梁嘉杰/中科大吳恒安《Adv. Mater.》：超強(qiáng)、超韌、高魯棒性MXene復(fù)合纖維及其于電子織物應(yīng)用
2023-01-23  來源：高分子科技

  高魯棒性和多功能性是制備高性能納米復(fù)合纖維及其電子織物的關(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子紡織產(chǎn)品通常需要貼合或佩戴在人體上。人體運(yùn)動(dòng)伴隨著不規(guī)則的皮膚變形，不可避免地拉伸或彎曲電子紡織產(chǎn)品。因此，當(dāng)受到應(yīng)變或應(yīng)力的干擾時(shí)，仍舊可以穩(wěn)定且精準(zhǔn)的檢測(cè)人體信號(hào)，在智能可穿戴應(yīng)用中具有重要應(yīng)用前景。但受到材料結(jié)構(gòu)效關(guān)系的制約，傳統(tǒng)納米復(fù)合纖維材料難以在動(dòng)態(tài)應(yīng)變條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高魯棒性和多功能性，因此，實(shí)現(xiàn)具有高結(jié)構(gòu)魯棒性和高應(yīng)變損傷抵抗性的高性能多功能纖維仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  近期，南開大學(xué)梁嘉杰教授和中科大吳恒安團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)告了一種將機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)引入纖維結(jié)構(gòu)的策略，該結(jié)構(gòu)以功能納米材料作為連續(xù)相，以實(shí)現(xiàn)高性能的多功能納米復(fù)合纖維（高導(dǎo)電，優(yōu)異電化學(xué)性能等），且具有優(yōu)異的應(yīng)變干擾魯棒性（高強(qiáng)，高韌，高延展性）。該團(tuán)隊(duì)利用具有優(yōu)異的機(jī)械、電氣、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能的2D碳化鈦MXene（Ti3C2Tx）納米片作為基體材料。但是，MXene基纖維通常具有低延展性、低韌性和較差的魯棒性。為了克服這些問題，在MXene纖維中引入了機(jī)械互鎖聚合物聚輪烷作為粘合劑。該聚輪烷由線性聚合物客體（聚乙二醇）（PEG）和多個(gè)環(huán)狀分子主體（α-環(huán)糊精（α-CD））組成，其中α-CD可以沿著PEG主鏈滑動(dòng)，當(dāng)聚輪烷的可移動(dòng)主體分子與基體材料部分交聯(lián)時(shí)，可以在纖維內(nèi)部形成機(jī)械聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在拉伸材料時(shí)，通過調(diào)整機(jī)械聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)（也稱為“滑輪”效應(yīng)），將整個(gè)結(jié)構(gòu)的施加應(yīng)力集中降至最低，這賦予了該結(jié)構(gòu)優(yōu)異的機(jī)械適應(yīng)性和抗應(yīng)變的魯棒性。該MXene納米片和滑環(huán)聚輪烷所制成的高性能多功能納米復(fù)合纖維，具有優(yōu)異的抗應(yīng)變干擾能力，其中，MXene納米片基質(zhì)被聚輪烷交聯(lián)，在多層纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)（圖1a），這賦予了該納米復(fù)合纖維三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，它們包括：（1）突出的多功能性，包括高電導(dǎo)率（超過1.1×105S/m）、高體積電容（超過360 F/cm3）和高機(jī)電性能；（2） 卓越的承載能力，具有超過500 MPa的拉伸強(qiáng)度、超過27%破紀(jì)錄的延展性和約60 MJ/m3的高韌性；（3） 獨(dú)特的應(yīng)變硬化機(jī)械行為使得即使在大應(yīng)變下也能對(duì)纖維中的結(jié)構(gòu)缺陷形成具有優(yōu)異的抵抗力。該納米復(fù)合纖維具有優(yōu)異的機(jī)電穩(wěn)定性，在大應(yīng)變變形和長(zhǎng)期重復(fù)（>10000次循環(huán)）應(yīng)變載荷下保持了100%的機(jī)械延展性和導(dǎo)電性（圖2）。


圖1 MXene復(fù)合纖維的輪滑結(jié)構(gòu)和MD模擬示意圖. 


圖2 MXene復(fù)合纖維的機(jī)械和電氣魯棒性。


  為了評(píng)估MXene復(fù)合纖維在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)首先將納米復(fù)合纖維應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備中，作為應(yīng)變傳感器，以監(jiān)測(cè)和辨別干擾下人體發(fā)出的微小力信號(hào)。將MXene復(fù)合纖維和商業(yè)尼龍纖維通過傳統(tǒng)的織布機(jī)編織成可穿戴的電子織物，將其連接或放置在可變形人體上，以監(jiān)測(cè)人體皮膚不同拉伸變形狀態(tài)下的生理信息。將該織物應(yīng)變傳感器佩戴在一名25歲男性志愿者的手腕上，可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)微小的脈搏信號(hào)。重要的是，該織物應(yīng)變傳感器展現(xiàn)出很高的抗干擾能力，即使在可穿戴傳感器處于各種拉伸和變形狀態(tài)下，也能很好地進(jìn)行實(shí)時(shí)脈搏監(jiān)測(cè)和人體健康信號(hào)的獲。▓D3）。


圖3 抗干擾MXene復(fù)合纖維織物的傳感應(yīng)用


  團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了該MXene復(fù)合纖維在紡織電子產(chǎn)品中作為超級(jí)電容器電極在水系電解質(zhì)中的性能。該纖維電極在5m V/s的掃描速率下表現(xiàn)出362 F/cm3的高體積電容，在20 A/cm3下進(jìn)行25000次充電/放電循環(huán)后，該纖維電極高度穩(wěn)定，電容保持率接近100%；在25%的拉伸應(yīng)變下，MXene復(fù)合纖維電極幾乎保留了100%的電容。此外，該纖維電極對(duì)循環(huán)施加的拉伸應(yīng)變（超過10000次循環(huán)）顯示出分別在5-6%、10-11%、15-16%和20-21%之間的不變電容（100%保持率）。為了進(jìn)一步評(píng)估MXene復(fù)合纖維在全電池中的潛在用途，使用MXene復(fù)合纖維作為負(fù)極和正極纖維電極，組裝了對(duì)稱的纖維超級(jí)電容器，當(dāng)該纖維超級(jí)電容器在5-6%、10-11%、15-16%和20-21%的應(yīng)變之間進(jìn)行10000次拉伸循環(huán)時(shí)，在不同電流密度下的GCD曲線幾乎維持不變（圖4h）。此外，該MXene復(fù)合纖維表現(xiàn)出5.2–7.6 mW/cm3范圍內(nèi)的高能量密度，相應(yīng)的功率密度范圍為3.4–0.7 W/cm3，這些值優(yōu)于大多數(shù)報(bào)告的纖維狀超級(jí)電容器。即使當(dāng)纖維超級(jí)電容器在不同應(yīng)變下重復(fù)拉伸超過10000次循環(huán)時(shí)，該體積能量和功率密度均表現(xiàn)出超高的電化學(xué)魯棒性（圖4i）。該工作以“Extremely Robust and Multifunctional Nanocomposite Fibers for Strain-Unperturbed Textile Electronics”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是南開大學(xué)谷建鋒博士、博士生李鳳超及中科大朱銀波副教授為共同第一作者。


圖4基于MXene復(fù)合纖維的超級(jí)電容器的電化學(xué)魯棒性


  該工作是梁嘉杰團(tuán)隊(duì)近年來在多功能納米復(fù)合材料的制備與柔性可穿戴電子結(jié)構(gòu)的研究中取得了新進(jìn)展之一。設(shè)計(jì)高魯棒性和多功能性觸覺傳感材料，發(fā)展高性能和高靈敏傳感機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效的柔性傳感器件構(gòu)筑，是柔性可穿戴領(lǐng)域發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。針對(duì)此，團(tuán)隊(duì)基于高分子流變學(xué)Doi-Edwards理論，發(fā)展一系列可印刷高分子納米傳感復(fù)合材料，通過先進(jìn)印刷打印技術(shù)構(gòu)建可穿戴傳感和功能器件整列（ACS nano 2022, 16, 12677; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479；Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987；Adv. Energy. Mater. 2020, 10, 1903794；Adv. Mater. 2018, 30, 1804165）。此外，團(tuán)隊(duì)提出了多重界面與多級(jí)結(jié)構(gòu)協(xié)同策略，發(fā)展了一系列高性能的高分子納米復(fù)合傳感材料，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變、壓力、溫度等觸覺傳感性能的在靈敏度、檢測(cè)限、檢測(cè)精度、以及使用壽命上的重要突破（Nat. Commun. 2022, 13, 1119; Matter 2022, 5, 1547; ACS Nano 2019, 13, 649; ACS Nano 2019, 13, 8124）。團(tuán)隊(duì)還深入探索了觸覺傳感機(jī)理，提出“電子-熱電子”傳感機(jī)制，制備了雙響應(yīng)納米復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)“應(yīng)變-溫度”雙重觸覺獨(dú)立響應(yīng)性（Nano Lett. 2022, 22, 4459; Nano Lett. 2020, 20, 6176）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202209527


梁嘉杰教授簡(jiǎn)介

  梁嘉杰，南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。2011年博士畢業(yè)于南開大學(xué)高分子研究所；隨后加入美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究工作；2014年加入美國(guó)Polyradiant公司（高級(jí)研發(fā)工程師）；2016年加入南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開展獨(dú)立工作，建立柔性印刷功能器件實(shí)驗(yàn)室。梁嘉杰教授一直致力于研究高分子納米復(fù)合材料及其在柔性印刷功能器件的構(gòu)建和集成中的應(yīng)用。研究領(lǐng)域涵蓋高分子化學(xué)與物理、材料科學(xué)與工程、化學(xué)、電子工程學(xué)以及物理學(xué)等眾多交叉學(xué)科。近年來發(fā)表論文40多篇，包括Nature Photonics, Nature Communications, Matter, Matter, Advanced Materials, Nano Letters等國(guó)際著名期刊雜志，其中9篇入選ESI Top 1%高被引論文，論文他引9000多次。入選國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目，天津市中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，并獲天津市杰出青年基金。

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