一种MXene包覆纤维及其制备方法与流程

本发明属于导电复合纤维领域，特别涉及一种mxene包覆纤维及其制备方法。背景技术：1、近年来，随着人们对便携化可穿戴电子设备的需求不断增加，电子设备正朝着小型化、多功能化等方向发展。未来的电子设备需要更好地融入我们的日常生活，因此，开发新型导电纤维织物，以满足下一代日常生活使用的需要，成为一项迫切的任务。对于导电纤维的制备加工，具有一定柔性和力学强度的特点将成为未来发展的重要方向。目前，碳黑、碳纳米管、石墨烯等碳基材料已广泛应用于制备可穿戴电子设备的导电纤维材料中。而石墨烯和mxene等导电二维材料，由于其独特的物理和化学性质，使其导电性能更加优异，常被用作导电填料。特别是mxene材料，由于其可调的层间间距、表面带有亲水性官能团(如-o-、-oh等)以及优异的导电性(最高可达20000s cm-1)，被认为是构建导电纤维及其可穿戴电子传感器件的核心材料之一。2、mxene复合纤维的主要制备方法之一是湿法纺丝，通过将凝胶化的纺丝液挤入凝固浴中形成纤维。例如，英国帝国理工学院seyedin等人利用mxene与聚氨酯(pu)混合纺丝液通过湿法纺丝制备高导电性的mxene/pu复合纤维。然而，湿法纺丝制备mxene复合纤维的局限在于mxene只能与适用于湿法纺丝的材料进行复合。北京化工大学ye等人利用同轴湿法纺丝制备了以聚偏二氟乙烯(pvdf)为壳，以mxene为空心核的中空核壳纤维。然而，同轴湿法纺丝需要核与壳的纺丝液能够在相同条件下湿法纺丝成型，限制了纺丝液种类的选择。此外，中山大学huang等人将ti3c2tx mxene/聚左旋乳酸-聚羟基脂肪酸酯(plla-pha)的混合纺丝液通过静电纺丝获得复合纳米纤维。但静电纺丝对原料有一定的要求，且纺丝设备复杂且价格昂贵。东南大学duan等人将聚乙烯醇(pva)凝胶涂覆氨纶进行表面改性后，再将其表面涂覆mxene，最后用pdms封装获得复合纤维。但采用涂覆制备mxene复合纤维的方法对初始纤维有一定要求，例如纤维表面须具有与能够与mxene表面产生相互作用的官能团或须对纤维进行表面改性使mxene纳米片能够黏附在纤维表面。以上方法制备的mxene/聚合物复合纤维中mxene纳米片存在易堆叠和易剥落等缺陷。同时，这些方法还存在对纺丝设备要求高，纺丝液难以获得，以及对纤维材质要求高等局限性。因此，迫切需要开发一种简单易操作的方法来制备具有导电性和良好力学强度的mxene包覆纤维，以拓展mxene包覆纤维的实际应用。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种普适性的mxene包覆纤维的制备方法，该方法可适用于各种材质的纤维、工艺流程简单、易操作、效率高，制备的mxene包覆纤维既能保留原有纤维的表面形貌及力学性能，还能为纤维提供高电导率，更大程度地开发了mxene复合纤维的应用价值。2、为了实现上述目的，本发明提供一种mxene包覆纤维及其制备方案：3、(1)在搅拌下向mxene水溶液中加入有机溶剂、盐酸至形成均匀混合液；其中，所述有机溶剂不溶于水且密度小于水；4、(2)将步骤(1)所得混合液倒入去离子水中，静置直至在水/有机溶剂界面处形成mxene薄膜；5、(3)将纤维由下至上穿过步骤(2)得到的mxene薄膜1～10次，得到mxene包覆纤维。6、任选地，所述mxene选自于ti3c2tx、ti3cntx、ti2ctx、nb2ctx、ta4c3tx和v2ctx，其纳米片尺寸为0.5～20μm；7、mxene水溶液的浓度为0.01～1mg/ml；8、所述mxene水溶液的添加量为1～100份；9、任选地，所述有机溶剂选自于甲苯、苯、煤油、环己烷、乙苯、苯乙烯、环己酮、乙酸乙酯和乙酸丁酯，其添加量为1～30份；10、所述盐酸的浓度为1～12mol/l，其添加量0.1～1份；11、所述去离子水添加量为100份。12、所述步骤(1)中搅拌转速50～1000rpm，搅拌时间为1～60min。13、所述步骤(2)中mxene薄膜的面密度为4*105～4*106μg/m2。14、任选地，所述步骤(3)中纤维为无机纤维、金属纤维或有机纤维；所述无机纤维为玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维，所述金属纤维为铜纤维、铝纤维、铁纤维，所述有机纤维为聚酰胺纤维、聚缩醛纤维、聚乳酸纤维、聚氨酯纤维、聚芳酯纤维。15、所述mxene包覆纤维直径范围为100～300μm，电导率为0.05～15s/cm，接触角为45～55°；所述mxene包覆纤维中mxene的含量为0.3～2.0wt％；16、所述mxene包覆纤维经过1000次弯曲后mxene包覆层保留率为90％以上，电导率为0.01～5s/cm；17、本发明的原理是，利用mxene纳米片减小水与有机溶剂的表面张力并在界面成膜，随后纤维由下至上穿过mxene薄膜实现包覆纤维的制备。18、本发明相较于现有技术具有以下积极有益效果：19、(a)本发明利用了mxene纳米片在不同溶剂中的界面作用，使得mxene能够在两种不相容溶剂的界面处有序排列形成完整的薄膜。将纤维由下至上穿过mxene薄膜并将其与薄膜贴合，可以在sem图(图1)中清晰展示。mxene包覆层赋予纤维导电性能的同时，保留了纤维原有的形貌和力学性能。20、(b)除ti3c2tx mxene以外，本发明还可以采用ti3cntx、ti2ctx、nb2ctx、ta4c3tx、v2ctx等mxene作为原料，通过本方法包覆在纤维外层，形成核壳纤维，其中，以ti3cntx mxene为原料的核壳纤维结构可以通过sem的表面形貌图(图2)证明。21、(c)本发明制备mxene包覆纤维的方法中，所用mxene用量较少，只需0.5～2.0wt％的mxene包覆量便可使原来难以导电的纤维获得良好的导电性能，这一点可由tg图的热失重曲线(图3)证明。22、(d)本发明解决了mxene难以在异形纤维外表面均匀包覆的问题，这一点可由sem图(图4)证明。与现有方法相比，本方法提供了一种简单的无需外添加剂的制备mxene包覆纤维的方法，工艺简单，操作简易，设备所需费用低。生产出来的纤维不仅保留了原有纤维的力学特性和可编织性，而且能够使纤维导电性能大大提高。用上述方法制备的mxene包覆纤维织物具有良好的导电性，可用于可穿戴个人传感和医用监护等领域。23、(e)本发明制备的mxene包覆纤维具有优异的耐弯曲性和耐摩擦性，在经历一千次弯曲后，mxene的包覆层仍然保持完整且连续，这一点可由sem图(图5)证明。24、(f)本发明在制备过程中，过大或者未完全剥离的mxene纳米片会因为自身重力的原因而沉入水底，从而避免了mxene包覆层的不连续性和不完整性。技术特征：1.一种mxene包覆纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：2.根据权利要求1所述的mxene包覆纤维的制备方法，其特征在于：3.根据权利要求1所述的mxene包覆纤维的制备方法，其特征在于，所述搅拌转速50～1000rpm，搅拌时间为1～60min。4.根据权利要求1所述的mxene包覆纤维的制备方法，其特征在于，所述mxene薄膜的面密度为4*105～4*106μg/m2。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维为无机纤维、金属纤维或有机纤维；所述无机纤维为玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维，所述金属纤维为铜纤维、铝纤维、铁纤维，所述有机纤维为聚酰胺纤维、聚缩醛纤维、聚乳酸纤维、聚氨酯纤维、聚芳酯纤维。6.一种mxene包覆纤维，其特征在于，是由权利要求1～5中任一项所述的方法制备得到的。7.根据权利要求6所述的mxene包覆纤维，其特征在于，所述mxene包覆纤维直径范围为100～300μm，电导率为0.05～15s/cm，接触角为45～55°；所述mxene包覆纤维中mxene的含量为0.3～2.0wt％。8.根据权利要求6所述的mxene包覆纤维，其特征在于，所述mxene包覆纤维经过1000次弯曲后mxene包覆层保留率为90％以上，电导率为0.01～5s/cm。技术总结本发明涉及导电复合纤维领域，提供了一种MXene包覆纤维及其制备方法。该方法包括以下步骤：首先，将MXene溶液与低密度非极性有机溶剂混合，并通过剧烈搅拌使MXene纳米片均匀分散。随后，将混合液倒入去离子水中，MXene纳米片将有序排列并在水和有机溶剂的界面处形成MXene薄膜。接着，将纤维由下至上穿过MXene薄膜，使其与薄膜贴合，多次重复此过程，使MXene薄膜逐层包覆在纤维外表面，从而制得MXene包覆纤维。该制备方法工艺简单且适用于广泛的纤维类型。MXene包覆层与纤维外表面贴合度高，能够保留纤维原有形貌。同时，由于MXene具有优异的导电性能，有序堆叠的MXene包覆层显著提升了纤维的电导率。在制备过程中，水和有机溶剂的界面作用使得MXene纳米片从无序分散转变为有序排列，并在与纤维贴合过程中实现MXene导电层与纤维外表面的紧密结合。因此，该方法制备的MXene包覆纤维保留了纤维的柔韧性和力学性能，同时赋予纤维导电特性，为导电复合纤维的制备提供了新思路。该技术有望在纺织、电子器件和传感器等领域发挥重要作用。技术研发人员：黄铄涵,张慧,翁荣金,张体健,何勇,夏于旻,倪建华,王依民,王燕萍受保护的技术使用者：浪莎针织有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25