芳纶@MXene同轴电磁屏蔽纤维:高强、高韧、耐极端环境

随着可穿戴电子器件的发展,导电、高强和耐极端环境的纤维具有重要研究价值。过渡金属碳/氮化物(MXene)同时具有高导电和亲水特性,相比于传统碳纳米材料更适于制备导电纤维。但是影响MXene基导电纤维发展的关键问题在于MXene悬浮液的可纺性差以及纤维的力学性能低。同时,MXene易于氧化也是一个不利因素。为此,我们通过同轴湿法纺丝方法,以导电MXene为核层,芳纶纳米纤维(ANF)为壳层,制备出超韧、高强、高导电和环境稳定性好的ANF@MXene核壳纤维。高性能ANF外壳在提升MXene可纺性和增强MXene基纤维的力学性能和环境稳定性上发挥了重要作用。高度取向的ANF@MXene核壳纤维解决了MXene纤维的导电性能和高力学性能不能兼得的难题,兼顾了高导电、超韧性、高拉伸强度和环境稳定性。
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

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。

作者简介

刘柳薪

本文第一作者

北京化工大学 博士研究生

主要研究领域

多功能纤维、导电纳米复合材料。

张好斌

本文通讯作者

北京化工大学 教授

主要研究领域

聚合物电磁屏蔽纳米复合材料。

个人简介

北京化工大学教授、博导、国家优秀青年科学基金获得者,长期从事二维纳米材料制备与功能化方法和聚合物电磁屏蔽纳米复合材料研究。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Angew. Chem. Int. Ed.等国际学术期刊发表SCI论文75篇,17篇研究文章入选ESI 高被引论文。相关成果被包括Science、Chem. Soc. Rev.等期刊重点引用和积极评价,SCI他引7600次,H因子41,获浙江省自然科学二等奖和宁波市科学技术奖一等奖。

Email: zhanghaobin@buct.edu.cn

于中振

本文通讯作者

北京化工大学 教授

主要研究领域

多功能纳米复合材料。

个人简介

北京化工大学教授、博士生导师、先进功能高分子复合材料北京市重点实验室主任。从事聚合物复合加工、增强与增韧、导电与导热、电磁屏蔽与吸波、聚合物纳米复合材料, 能源与环境杂化材料、光热转化复合材料及其能量存储利用等研究。出版一部学术专著“Polymer Nanocomposites – Towards Multi-functionality”、一部编辑著作 “Polymer Nanocomposites”、五篇著作章节;发表学术期刊论文300余篇,被引用22200余次。获得中国化学会青年化学奖 (1999)、 教育部新世纪优秀人才 (2008)、国家杰出青年科学基金 (2011)、中国化学会高分子科学创新论文奖 (2015)、科睿唯安全球高被引学者 (2021)。

Email: yuzz@mail.buct.edu.cn

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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