MXene是一个二维纳米材料的大家族，具有高电导率（≈104S/cm）、高比表面积（≈106）和杰出的机械性能（杨氏模量≈330 GPa）。同时，其表面具有丰富的官能团，适用于制备多功能聚合物复合材料。目前，基于纤维的应变传感器很难做到既满足工业级编织织物需要的力学性能，又可以实现大规模连续化（>100 m）生产。制备可编织、兼具高导电和可拉伸性的纤维应变传感器仍是一个挑战。与常用的导电填料相比，MXene基的复合纤维可以兼顾导电性能与弹性。
美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授、Shayan Seyedin博士和澳大利亚迪肯大学的Joselito M. Razal教授等近日报道了一种基于Ti3C2Tx MXene/聚氨酯（PU）的复合纤维及同轴纤维，具有可编织性、高导电性和可拉伸性能，实现了MXene基纤维和织物在应变传感器上的应用。该研究成果以”MXene Composite and Coaxial Fibers with High Stretchability and Conductivity for Wearable Strain Sensing Textiles” 为题发表在《先进功能材料》上（见文后原文链接）。
图文解析
图1. a) MXene/PU纤维纺丝工艺示意图；b) 100 m长，MXene含量9.1 wt% 的MXene/PU纤维经异丙醇(IPA)凝固浴纺丝后的数码照片；c) MXene/PU纤维在不同MXene含量和不同纺丝条件下的扫描电子显微镜（SEM）图像。
解析：作者前期探索发现，MXene/PU复合材料膜（10 wt% MXene）在DMSO溶剂中导电，而在DMF中不导电，猜测是DMSO在MXene中具有更好的插层效果，从而有更高的分散性。因此采用溶剂置换法将MXene和PU分散在DMSO中，进行湿法纺丝，探究了不同含量的MXene及不同凝固浴对纤维成形的影响。作者发现IPA可以实现低MXene含量（28.6 wt%）下的纺丝，但是在高MXene含量下纤维容易断。然而，将乙酸（AcOH）代替IPA可以实现MXene含量在0-100 wt%范围内的纺丝。从图1c的SEM断面图中也可以看出，IPA凝固浴中纤维截面呈不规则带状，在AcOH中截面却近乎圆形。
图2. a) MXene/PU纤维各阶段应力-应变曲线示意图；b) 代表性纤维的应力-应变曲线；不同MXene含量及纺丝条件下的MXene/PU fibers的c) 杨氏模量、d) 拉伸强度和e)断裂伸长率。(c-e) 中的阴影区域显示了可以使用IPA凝固浴制备纤维的MXene含量范围。
解析：PU链由两部分组成：软段(SS)，形成无定形相，提供较大的伸长率；硬段(HS)，聚成有序的硬区，提供刚性，因此形成了图2a中的三段区域。刚性HS导致区域I的刚性响应。SS链的延伸最初导致应变诱导软化(区域II)，当PU进一步拉伸时增加了SS链的有序排列，最终导致SS相应变诱导结晶(SIC) (区域III)。MXene含量在9.1 wt%以上的纤维仅表现为刚性区。纤维在刚性区的应力-应变曲线图显示，MXene具有显著的增强（刚度增加）效应(图2c)。IPA纺丝纤维的杨氏模量从7.1 MPa（纯PU）增加到1145 MPa（MXene含量在28.6 wt %时的MXene/PU纤维，φ= 0.085)。
图3. a)不同MXene/PU纤维在单轴拉伸下的应变传感性。b) MXene含量9.1 wt%，IPA凝固浴纺丝得到的MXene/PU纤维在不同应变的循环拉伸-释放条件下的机电性能。b)中的插图显示了相同纤维在30%应变下6个循环的机电性能。根据(a)计算出不同MXene/PU纤维的c) 传感范围和d）灵敏度值。(c,d)中的阴影区域表示可以使用IPA凝固浴制备纤维。
解析：图3a显示出了不同种类纤维的应变传感行为，并在图3c和d中分别计算出不同纤维的传感范围和灵敏度因子GF。传感范围和灵敏度对于应变传感器是很重要的参数指标，数据显示出所制备的纤维具有很好的应变传感性能。拉伸诱导变化是该复合材料纤维应变传感的主要原因。图3b的电阻变化原因是拉伸时相互叠加的MXene片的破坏导致电阻的增加，应力释放后导电网络恢复从而电阻降低到接近原始值。MXene的高电导率使得MXene/PU复合纤维的传感范围可达到152%。
图4. a) 由9.1 wt% MXene含量的MXene/PU复合纤维的a)单股和b)四股纱线制成的针织单面针织物及其示意图。c) MXene/PU四股编织织物在不同应变下的机电性能研究。d) 为(c) 中100%，150%和200%选20分钟的ΔR/R0部分放大图。e) 每个循环中的拉伸(RL)和释放(Ru)处的ΔR/R0曲线图。
解析：通过工业级的针织机将MXene/PU复合纤维经过纬编机织成织物，进行织物的传感性能测试。图4a,b可以观察到针织四股纱线比单纤维编织的织物有更均匀和更密集的线圈，这可能是由于单纤维的直径相对较小(≈115μm)以及用于针织的针距小(15G)。图4c,d用四股纤维编织的织物进行应变传感性能测试，可以看到织物的电阻在拉伸时降低，在释放时增加，导致GF为负，而不同纤维的传感行为与GFs为正相反(图3b)。这是由于针织物在拉伸时互锁纤维之间的接触电阻降低，导致的织物传感器的电阻响应降低。此外，还测量了每个循环拉伸(ΔRL/R0)和释放(ΔRU/R0)的ΔR/R0，并观察到它们的差异随着施加的应变而增加(图4e)，这表明传感器能够区分不同程度的拉伸。在200%拉伸应变下GF达到-7.5，显著高于之前报道的针织物传感器的灵敏度值（-1）。
【总结】
作者报道了可连续生产的具有高导电性和可拉伸性的MXene/PU复合纤维和同轴纤维，并且可以通过商业化的针织机编织成织物。MXene/PU复合纤维可以检测到高达152%的应变，其GF高达12900。这项工作中发现的基于MXene的应变传感纤维和织物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、软体机器人、虚拟现实和娱乐。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910504
0
