[发明专利]一种碳化钛MXene纤维纳米复合材料制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种碳化钛MXene纤维纳米复合材料制备方法及应用。由于结构缺陷和弱界面作用导致的MXene纤维结构松散，导致兼具高力学和高电导率的高密实MXene纤维纳米复合材料的制备一直以来是一个难点。为此，本发明利用界面作用和热拉诱导力的协同作用于纤维表面原位形成聚碳酸酯聚合物保护层，同时进行低温拉伸处理制备高密实性MXene纤维纳米复合材料，从而提升了纤维纳米复合材料的取向度并减少其孔隙率。因此，本发明制备出的高密性MXene纤维纳米复合材料不仅拥有高力学强度622.3MPa、高韧性75.4MJ msupgt;‑3/supgt;，还具有高电导率8935.0S cmsupgt;‑1/supgt;。同时，基于此种高密实性MXene纤维纳米复合材料编织成的织物不仅具有高电磁屏蔽性能，还具有极好的抗弯曲稳定性能。

技术领域

本发明涉及一种碳化钛MXene纤维纳米复合材料制备方法及应用，属于纳米复合材料制备领域。

背景技术

基于多功能纤维制备的智能纤维广泛应用于人类健康管理、人机交互、移动监测、智能机器人、疾病防护等人类生活中。MXene(Ti₃C₂T_x)纳米片由于本身兼具极好力学、电学以及电磁屏蔽性能而有望应用于制备纤维智能织物。目前，有大量的科学研究通过如湿法纺丝法(ACS Cent.Sci.2020,6,254-265)、包裹法(Adv.EnergyMater.2018,8,1703043)、静电纺丝法(Adv.Funct.Mater.2020,30,2000739)以及加捻法(Small 2018,14,1802225)等方法，基于MXene纳米片来制备MXene纤维纳米复合材料。因此，研究者们已经制备出一些具有理想电导率和力学性能的MXene纤维如MXene/rGO、MXene/cellulose、Kevlar/MXene以及nylon/MXene纤维等。

此外，受天然贝壳界面作用的启发，通过MXene表面的含氧官能团与其他聚合物以及基元单体之间的界面作用来提升纤维纳米复合材料的MXene层间的界面强度。例如，采用PU(Small 2019,15,1804732)、凯夫拉(ACSNano 2021,15,8676-8685)等分子间作用力、氧化石墨烯(GO)(J.Mater.Chem.A 2017,5,22113-22119)、纤维素(Adv.Funct.Mater.2019,29,1905898)等氢键；NH4⁺(Nat.Commun.2020,11,2825)、Mg²⁺(ACSNano 2021,15,7821-7832)等离子键，一种或多种价键界面协同作用来促进MXene纳米复合材料的力学性能提升。尽管这些方法显著提高了MXene纤维纳米复合材料的机械强或者电导率，然而由于结构缺陷和弱界面作用导致的MXene层比较疏松，使MXene纤维纳米复合材料力学强度、电导率以及韧性很难得到协同提升。因此，制备高密实性MXene纤维纳米复合材料的方法一直以来都是一个巨大的挑战。

MXene纳米片具有优异的断裂强度(～17.3GPa)、高模量(～330GPa)、高电导率(～2.4×10⁴S cm^-1)，使其成为构筑结构功能一体化纤维纳米复合材料的理想基元材料。良好分散性、无结构缺陷(高取向和低孔隙率)、强界面作用、结构规整等是制备高性能纳米复合材料的关键因素。MXene表面具有大量的含氧官能团，能够很好分散在极性溶剂中，保证了MXene纳米片在纺丝液的良好分散均匀性。因此，MXene纤维纳米复合材料的内部结构、结构缺陷及基元组分间的界面作用将成为影响纤维性能的关键因素。