MXene在电磁屏蔽织物领域应用最新研究进展

MXene作为一种新型二维纳米材料,具有导电性高、比表面积大、耐热性好和密度低等优点,是一种优良的导电填料,其在电磁屏蔽织物领域的应用也越来越多。文中简述MXene材料的合成过程及应用;介绍MXene的电磁屏蔽机理及其复合纤维制备方法,包括涂层法、双辊法、静电纺丝法、湿法纺丝法等,并对比各方法的优缺点;总结MXene在电磁屏蔽织物应用领域的最新研究进展。最后展望MXene在电磁屏蔽织物应用领域的发展方向,为新一代电磁屏蔽性能优异、稳定性强、力学性能强、舒适性好的MXene复合纤维的研究提供新思路。

MXene/芳纶纳米纤维柔性自支撑电极的构建及其在超级电容器中的应用

随着可穿戴电子产品的微型化发展,开发轻柔、灵活、体积小、能量密度高的柔性储能器件成为研究的热点。以芳纶纳米纤维(aramid nanofiber,ANF)作为纤维增强柱撑材料,采用真空抽滤的方法制备MXene/ANF柔性自支撑电极,避免引入集流体和黏合剂等“死体积”,并将其组装成全固态对称超级电容器。随着ANF含量增加至15%(质量分数),MXene/ANF自支撑电极的拉伸断裂强度增加至151.5 MPa,而电导率降低至1371.1 S/cm,在1 A/g的电流密度下表现出432.7 F/g的高比电容。组装的柔性对称全固态超级电容器的能量密度为25.7 Wh/kg,对应的功率密度为523.1 W/kg,具有优异的柔韧性和长循环寿命(10000周次循环充放电后,电容保持率为88.9%)。

MXene对硅橡胶热防护复合材料结构与性能的影响

将新型二维纳米片材Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene引入耐烧蚀硅橡胶复合材料体系中,探究MXene对复合材料的硫化性能、力学性能、热失重、烧蚀性能和烧蚀层结构的影响。结果表明,当适量加入MXene时,复合材料各组分的混匀度得到明显改善,拉伸强度和断裂伸长率大幅提高。高温烧蚀后,纤维骨架与烧蚀层间黏附性增强,烧蚀层结构更为密实,获得了良好的耐烧蚀性能。

基于还原氧化石墨烯-MXene三维气凝胶修饰碳纤维超微电极的一氧化氮检测

一氧化氮(NO)作为人体内重要的二级信使,在多种生理过程中起到关键作用,对其高灵敏度、高选择性的在体检测至关重要。基于电化学方法快速、准确、灵敏度高等优点,本研究提出了基于还原氧化石墨烯-MXene三维复合材料修饰碳纤维超微电极的NO检测方法。利用碳纤维超微电极极小的体积、良好的生物相容性和较高的灵敏度等优点,最大限度的减小电极本身对生物体的刺激和损伤。利用还原氧化石墨烯-MXene复合材料大的比表面积、高电导率、丰富的多孔结构及金纳米材料对NO的高催化性能,聚苯胺和聚邻苯二氨的高导电性和分子过滤性能,提高了电极的灵敏度和选择性。测得NO的线性检测范围为0.11~235.67μmol/L(R^(2)=0.998),检出限(S/N=3)为16.8 nmol/L,灵敏度为0.23 nA/(μmol/L)。该电极对抗坏血酸、多巴胺等体内常见干扰物没有响应,具有较强的抗干扰能力。

PAN/MXene同轴纤维电极的制备及性能

采用单片层MXene、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚丙烯腈(PAN)粉末为原料制备不同纺丝液,经过同轴湿法纺丝成型、高温炭化制备出一系列不同壳芯组分同轴纤维电极;分析不同壳层、芯层材料对纤维电极微观结构以及力学、电学、电化学等性能的影响规律。结果表明,当以PAN/MXene为壳层、PAN/PMMA为芯层时,可以实现电极材料力学性能与电化学性能的平衡,拉伸强度、电导率和比电容分别为可达到14.4MPa、322.7S/m和113.18F/g,经过1000次恒电流充放电测试(GCD)循环后,比电容保持率可达到95.7%。

高灵敏度MXene基纤维传感器的制备及性能

以热塑性聚氨酯(TPU)为基底、原位氢氟酸刻蚀法制备的过渡金属碳化物/氮化物(MXene)纳米片为导电材料,经湿法纺丝技术制得了MXene-TPU导电纤维(MTF)。采用SEM、EDS、TGA对其进行了表征,测试了其电导率、力学性能、拉伸应变传感性能,评价了其在人体运动检测中的应用。结果表明,在TPU内部建立的MXene导电网络赋予了MTF高应变灵敏系数(在120%应变下灵敏系数为2930)。MXene的引入提高了MTF的热稳定性,其热分解温度从聚氨酯纤维(TF)的360℃提高到400℃;MXene在纤维表面及内部形成的连续导电通路赋予纤维良好的导电性(电导率为141.54 S/m);MXene也增强了MTF纤维的模量,MXene理论负载量为21.74%的MTF样品(MTF_(2))应变50%时的应力(σ_(50))比TF增大了1.3倍,具备一定的拉伸应变恢复性;MTF_(2)通过电阻变化率的不同来表达人体关节运动形式,可用于人体运动监测。

基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

在电子信息和物联网技术的推动下,人类对可穿戴电子器件和智能织物的需求愈发突出,功能纤维作为智能可穿戴设备的重要载体,近年来获得快速发展。功能纤维的性能很大程度上取决于纤维的基础构筑单元。过渡金属碳/氮化物(MXenes)作为一种新兴的二维材料,凭借其高电导率、优异的可加工性能、可调节的表面特性以及出色的机械强度等优点,受到了极大的关注,也逐渐成为构筑功能纤维的重要单元。本文将主要综述MXenes的湿化学、熔融盐、无氟试剂刻蚀等方法和力学、电学、光学和化学稳定性等性能,阐述基于该材料制备的功能纤维在传感、储能以及其他智能领域的应用,最后讨论了基于MXenes材料的功能纤维的未来应用前景和技术挑战。

基于湿法纺丝的MXene纤维及应用进展

采用湿法纺丝工艺将纳米尺度的MXene组装成宏观连续的MXene纤维,得到具有优异力学、电学、热学性能的纤维。MXene纤维除了直接作为纤维状可穿戴器件外,还可通过缝纫、编织等传统纺织工艺嵌入到智能纺织品中。根据MXene纺丝液成分的不同,通过湿法纺丝工艺可以制备纯MXene纤维、MXene纳米复合纤维和MXene高分子复合纤维。文中介绍了湿法纺丝MXene纤维在纤维状电极材料和温度、应变、气体等三类柔性可穿戴传感器领域的应用进展,并对湿法纺丝MXene纤维的未来发展进行展望,为后续MXene的研究提供借鉴思路。

MXene/活性炭纤维复合电极制备及其电容去离子性能研究

电容去离子(CDI)以其能耗低、性能稳定等优点在水的脱盐应用中具有良好的潜力。电极材料是CDI技术的核心。采用静电纺丝法制备MXene/活性炭纤维(MXene/ACF)复合电极,利用SEM、TEM、比表面积分析、电化学测试等手段研究了复合电极结构、电容特性等性质特征,采用半连续试验研究了MXene/ACF复合电极CDI去离子性能。研究发现,MXene和ACF复合形成的三维网状结构、起皱粗糙表面为CDI过程提供丰富的离子传输通道和活性结合点;MXene/ACF的比表面和比电容分别是纯ACF的2.4倍和2.18倍;对初始电导率为100μm/cm的氯化钠溶液,脱盐效率为55.2%,较ACF电极提高39%,去除过程符合准二级动力学模型。MXene/ACF复合电极在工业水脱盐、苦咸水淡化上具有良好应用前景。

基于MXene的应变纤维传感器制备及其表征

高灵敏度、宽感应范围的柔性力敏传感器是当前柔性传感领域的重要需求。通过将MXene覆盖在氨纶包覆纱纤维表面,制备了一种新型的氨纶纤维应变式电阻传感器。该传感器能将拉伸应变转换成传感器内部导电通道的断裂和重组,进而引起电阻变化。对传感器的拉伸性能和应变传感性能进行检测,检测结果显示,提出的传感器具有较宽的应变范围、较好的稳定性和可重复性、较高的灵敏度。该传感器在0%~40%、40%~50%的应变范围下,传感器的灵敏度分别约为5.82、46.61,且能够稳定地监测手指的弯曲和伸展运动,在未来的可穿戴电子产品中具有潜在的应用价值。

PANI/MXene复合纤维柔性电极的制备及性能

在现有湿法纺纤维的基础上,设计并制备以二维过渡金属碳化物(MXene)为活性原料的纤维电极,再用电化学沉积法制备聚苯胺(PANI)/MXene复合纤维柔性电极。以聚丙烯薄膜为柔性基底、H3PO4/聚乙烯醇(PVA)为固态电解质,平行排列组装超级电容器。调节沉积时间、控制PANI负载量,能提高复合纤维电极的比电容,以0.6 A/g电流在0~0.8 V充放电,比电容可达274.4 F/g;在3.0 A/g电流下,经过4500次循环后,比电容仍能保持在约81%。

MXene/海藻酸钠复合纤维电磁屏蔽性能研究

随着电信设备数量的不断增多带来的日益严峻的电磁辐射问题,人们对电磁屏蔽织物的需求逐渐增多。二维纳米材料MXene具有高电导率、高电子迁移率的特点,因此在电磁屏蔽领域拥有非常重要的研究价值。本文使用微流控湿法纺丝技术制备了MXene/海藻酸钠复合纤维,研究了MXene添加量对复合纤维各项性能的影响。当复合纤维中MXene的含量增加时,MXene/海藻酸钠复合纤维的电阻逐渐降低;当MXene含量为30 wt%时,电阻降低为177Ω·cm^(-1)。此外,40 wt%MXene/海藻酸钠复合纤维的织物在11.96 GHz处最小反射系数达-49.5 dB,具有良好的电磁屏蔽性能。本研究采用的微流控湿法纺丝技术为功能复合纤维的制备提供了一种有效方法,所制备的MXene/海藻酸钠复合纤维可作为制造功能性纳米复合材料和电磁屏蔽材料体系的重要补充。

CF/MXene结构超级电容器的设计与性能

为了制备出兼具力学承载和能量存储功能的结构超级电容器(结构超电)复合材料,首先采用二维纳米片状材料MXene对碳纤维(CF)进行表面改性,制备出高性能的CF/MXene复合纤维电极并将其组装成超级电容器,接着采用嵌入法将其排布在玄武岩纤维增强织物中,通过灌注环氧树脂共形固化制备结构超电复合材料。系统分析了CF/MXene超级电容器的耐温稳定性及其覆膜处理的影响作用,并对制得结构超电复合材料的综合性能进行全面考察。结果表明,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对CF/MXene超级电容器进行覆膜处理,能有效保护其经受60℃持续12 h加热处理后的储能稳定性;组装的结构超电的密度为0.19 g/cm^(3),比电容可达3.38 mF/g(0.05 A/g),能量密度和功率密度分别为15.5 mWh/kg和256.4 mW/kg,其弯曲强度和弯曲弹性模量分别可达到199.6 MPa和4.54 GPa,且弯曲破坏后结构超电的电容保持率仍高达91%。整体上,制备的结构超电复合材料具备质轻、高强、储能性能优良且稳定的特点。

二维材料基柔性纤维超级电容器的研究进展

随着智能可穿戴设备的兴起,高性能的纤维超级电容器(FSC)有望为智能可穿戴设备的持续发展做出巨大贡献。二维材料因质量轻、比表面积大、导电性高、机械强度卓越等特性而闻名,这些特性使得二维材料成为制备高能量/功率密度、具备可靠安全性、稳定灵活性以及长周期循环寿命的FSC的理想选择,被认为是未来可穿戴储能设备中最具前景的候选材料之一。随着制备工艺的不断进步,FSC在理论实验和实际应用之间的差距已大大缩小。本文系统回顾了不同的二维材料在FSC的优化设计和纤维结构方面的最新进展,并对其未来的发展进行了展望。

电泳沉积改性对高模量碳纤维在水中分散性的影响

高模量碳纤维(HMCF)因经过高温石墨化,表面惰性高,表现出很强的疏水性,不易在水中分散,成为湿法制备碳纤维纸需要克服的瓶颈。为改善HMCF在水中的分散性,采用电泳沉积二维过渡金属碳化物MXene的方法对其进行表面改性,研究了电泳沉积参数、纤维特性对HMCF表面改性效果及其在水中分散性的影响。结果表明,经过MXene表面改性后,HMCF表面的极性官能团数量增加,在水中的分散性得到了一定的改善。MXene沉积4min时BHM3碳纤维在水中的分散情况改善最为显著,对水的接触角从100.7°降至36.2°,达到一级分散水平,沉降时间增加到42min。相同条件下,MXene在HMCF表面的均匀分布能提升纤维在水中的分散性。

MXene/芳纶火灾预警气凝胶纤维的制备及性能研究

为了开发一种柔性的火灾预警功能复合材料,以芳纶纳米纤维作为基材,通过微流控纺丝与冷冻干燥技术,成功制备了MXene/芳纶火灾预警气凝胶纤维。采用扫描电子显微镜、垂直燃烧试验以及火灾预警测试等探究了不同MXene质量分数和PPy聚合前后的表面形貌、热电和热稳定等性能。结果表明:随着MXene含量的增加,复合纤维的导电性和机械性能也提升。当MXene质量分数达到40%时,复合纤维的电导率和机械强度分别可以达到1372.76 s/m和1.36 MPa;同时基于热电材料特有的塞贝克效应,该火灾预警气凝胶纤维能够在100~300℃的温度范围内进行精准的温度传感,还能在无需外接电源的情况下,接触火焰后3.5 s内产生1.89 mV电压,触发预警,为人们提供及时撤离信号。

MXene-OPBI-Cu^(2+)/PBO纤维织物的制备与电磁屏蔽性能研究

电磁干扰(EMI)对设备性能、周围环境甚至人类健康都有不利影响,对高EMI屏蔽材料的需求变得更加迫切。过渡金属碳化物/氮化物(MXenes)因其优异的本征导电性、可调的表面化学性质和层状结构而被认为是制造多功能柔性纺织品的理想纳米片,被广泛应用于电磁屏蔽材料。利用金属离子(Cu^(2+))与OPBI的交联作用,将MXene纳米片层结合在PBO纤维表面,制备了具有优异电磁屏蔽性能的高强纤维和纤维织物,构筑了良好的导电网络,赋予了织物高效的电磁屏蔽效能。当PBO纤维在MXene-OPBI-Cu^(2+)溶液中浸干6次时,电导率和EMI SE分别为42.25 S/cm和30.1 dB,相较于未添加OPBI与Cu^(2+)的纤维,电导率提升了82.35%,EMI SE提高了44.71%。实现了电磁屏蔽材料的高效便捷制备,同时兼顾其优异的稳定性和力学性能。

电磁屏蔽织物的研究现状

电磁波干扰电子电气设备正常运行以及危害人类健康,电磁屏蔽能够有效地对电磁波进行防护。电磁屏蔽织物具有优良的电磁屏蔽性能同时还具有织物特性,是理想的电磁屏蔽材料。首先简述了电磁屏蔽织物的屏蔽机理;其次介绍了电磁屏蔽织物的分类;然后分析了利用金属纤维、导电高聚物、石墨烯、MXene等材料,或运用化学镀法和磁控溅射法制备电磁屏蔽织物的相关进展;最后总结了各类电磁屏蔽织物目前存在的一些问题,并对其发展进行了展望。

智能纤维与纺织品的技术进展

探讨智能纤维材料及智能纺织品的研究进展。详细介绍了4种柔性智能纤维材料的最新研究及应用,包括能量收集型智能纤维材料、能量收集/存储型纤维材料、智能发光纤维材料和纤维型智能传感器。结合当前各类柔性智能纤维材料的特性,探讨了其在智能纱线和可穿戴智能纺织品中的应用。分析了目前在产业化和市场化中智能纺织品遇到的技术瓶颈。认为:近年来智能纤维材料及智能纺织品得到了快速发展;通过综合柔性舒适纺织品的结构特性,有望大规模生产柔软、舒适的自供电人体生命体征监测的智能纺织品系统和智能可穿戴纺织品。

纸基电磁干扰屏蔽材料研究进展

本文介绍了碳纤维、石墨烯、碳纳米管、MXene及多种填料协同改善纸基电磁干扰屏蔽材料性能的研究进展,总结了纸基复合电磁干扰屏蔽材料的研究热点。研究开发超薄、高韧、优异屏蔽效能,且具有多层结构特点的产品是纸基复合屏蔽材料重要发展趋势。