MXene材料在紡織與服裝中的應(yīng)用及其發(fā)展前景

李丹，關(guān)福旺，楊竹麗

（泉州師范學(xué)院，福建 泉州362000）

近年來(lái)，過(guò)渡金屬碳氮材料（MXene）在二維材料中脫穎而出。MXene 不僅具有類(lèi)似金屬的超高電導(dǎo)率還具有優(yōu)秀的機(jī)械性能，其親水表面和高度可調(diào)的表面基團(tuán)使它更易與其他材料形成復(fù)合材料，研究者們不斷嘗試探索MXene 材料的更多性能。已有文獻(xiàn)大多是對(duì)二維材料Mxene 的結(jié)構(gòu)等方面的總結(jié)或?qū)ζ湓谛履茉础⒐鈱W(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的探索，關(guān)于Mxene 材料應(yīng)用在服裝材料上的研究極少。通過(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料和網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，分析了Mxene 材料研究現(xiàn)狀，并分析Mxene 可能適用于服裝材料的幾種特性，探討其應(yīng)用于服裝材料的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 MXene 材料簡(jiǎn)介

Mxene 是指一種過(guò)渡金屬碳化物、氮化物以及碳氮化物一族[1]，于2011 年被發(fā)現(xiàn)，作為一種新型二維(2D)納米材料，化學(xué)通式為Mn+1XnTX，其中(n=1-3)，M 代表早期過(guò)渡金屬（如如Sc、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Mo 等），X 代表C 或N 元素，Tx 表示MXene由化學(xué)刻蝕前驅(qū)體MAX 相而產(chǎn)生的附著在其表面的官能團(tuán)（如-OH、-O、-F 等），分別產(chǎn)生M2X、M3X2和M4X3形式的MXene[2]。目前研究最多的一類(lèi)MXene 就是Ti3C2Tx，具有較大的比表面積和過(guò)渡金屬碳化物良好的金屬導(dǎo)電性、較大的電容[3]，且電學(xué)、力學(xué)及穩(wěn)定性等性能可通過(guò)過(guò)渡金屬、氮原子或者碳原子以及表面官能團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量比例等因素調(diào)控,在超級(jí)電容器、電池、電磁干擾屏蔽和復(fù)合材料等中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[3]。圖1 為MAX 相的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的MXene。

圖1 MAX相的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的MXene[2]Fig.1 Structure ofMAXphase and corresponding MXene[2]

2 MXene 新型材料研究現(xiàn)狀

目前，Mxene 在儲(chǔ)能、電磁屏蔽、復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究非常熱門(mén)。但在研究調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該材料在服裝領(lǐng)域的運(yùn)用前景也較好。

國(guó)外對(duì)于MXene 材料制備的研究比較多。Yury Gogotsi 等[4]將MXene 基纖維、紗線和織物用于可穿戴儲(chǔ)能裝置，織物設(shè)備得益于新導(dǎo)電材料的發(fā)現(xiàn)和織物設(shè)備設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。這些設(shè)備包括基于織物的超級(jí)電容器（TSCs），它們?cè)跒榭纱┐髟O(shè)備供電方面具有實(shí)際價(jià)值。Mashtalir 等[5]研究了Ti3C2Tx 吸附染料分子的性能。Ti3C2Tx 的表面顯電負(fù)性，因此具有選擇性吸附染料分子的特性。此外他還發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx 可在紫外光下表現(xiàn)出與二氧化鈦相似的光催化性質(zhì)。Rasool 等[6]首先發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx 膠體溶液的抗菌效果優(yōu)于石墨烯。Shahzad 等[7]證實(shí)45 μm 厚的Ti3C2Tx 薄膜電磁屏蔽效應(yīng)可達(dá)到92 dB，是迄今所制造的屏蔽性能表現(xiàn)最佳的合成材料。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MXene 種類(lèi)眾多、性能各異，目前已經(jīng)在多領(lǐng)域展開(kāi)了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。隨著材料領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步，MXene 在制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，擁有巨大的應(yīng)用前景。

3 MXene 性能及在服裝上的運(yùn)用探索

澳大利亞迪肯大學(xué)Genevieve Dion、美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)Yury Gogotsi 和Joselito M.Razal 報(bào)道了用于生產(chǎn)MXene 基纖維、紗線和織物的技術(shù)以及設(shè)備設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)方面的進(jìn)展，并討論了在纖維、紗線、織物結(jié)構(gòu)中引入這種新材料所面臨的挑戰(zhàn)，這將有助于紡織設(shè)備在儲(chǔ)能應(yīng)用之外的發(fā)展[4]。如圖2，通過(guò)為纖維增添技術(shù)功能，編織到紡織品中，不會(huì)損害其耐磨性，反而使織物擁有MXene 材料的多種性能，為MXene 材料應(yīng)用于服裝織物中提供了可能。綜上，MXene 具有多功能性并能夠與聚合物結(jié)合，讓其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，促使服裝朝著智能化發(fā)展。

圖2 MXene 織入其他材料中[4]Fig.2 MXene woven into other materials[4]

3.1 柔性力敏材料及應(yīng)用

科學(xué)技術(shù)和智能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展使微型及可穿戴產(chǎn)品得到大規(guī)模推廣，也讓具有移動(dòng)傳感和反饋功能的設(shè)備及相關(guān)服務(wù)迅猛發(fā)展。然而在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)傳感器難以承受較大的變形和壓力，新型柔性傳感器彌補(bǔ)了這一缺陷，在復(fù)雜的人體交互中可以承受較大的變形和壓力，具有良好的應(yīng)用前景。因此，開(kāi)發(fā)具備柔性、電化學(xué)活性和機(jī)電活性、可被織成全織物的紗線，為大規(guī)模生產(chǎn)提供設(shè)備成為研究者的重要任務(wù)。

目前，MXene 柔性力敏材料主要應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備，作用于對(duì)生理信號(hào)以及細(xì)微人體動(dòng)作的監(jiān)測(cè)。對(duì)人體的心臟和脈搏等復(fù)雜信號(hào)的細(xì)微動(dòng)作監(jiān)測(cè)，需要力敏材料有著極小的探測(cè)限、高靈敏性以及較短的響應(yīng)時(shí)間[8,9]。關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生拉伸作用，應(yīng)變較大，拉伸應(yīng)變傳感器需要MXene 基柔性力敏材料有著較高的工作應(yīng)變；信號(hào)示蹤主要是基于壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的。Zhao 等[10]開(kāi)發(fā)出一種智能織物，通過(guò)浸漬工序?qū)i3C2Tx 納米片沉積在纖維素纖維的非織造布上，構(gòu)建了一種基于MXene 的多功能織物，它可以進(jìn)行呼吸檢測(cè)，也可以作為低壓熱療平臺(tái)，這種面料在醫(yī)療領(lǐng)域紡織品與服裝有很大的發(fā)展空間。

3.2 電磁屏蔽與吸波及應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通信設(shè)備、微波產(chǎn)品、家用電器、電子產(chǎn)品等電磁輻射源廣泛地出現(xiàn)在人們的日常生活當(dāng)中,電磁輻射所產(chǎn)生的危害也逐漸被人們重視。目前電磁屏蔽材料在服裝中的運(yùn)用主要是金屬纖維和銀纖維，但存在金屬纖維面料易于洗滌但缺乏柔軟性和易造成皮膚過(guò)敏，銀纖維易氧化等痛點(diǎn)。為此有研究者開(kāi)始采用碳材料比如碳納米管（CNT）、石墨烯[11,12]等電磁屏蔽材料的制備，但這些材料都表現(xiàn)出成本高、工藝瑕疵等特點(diǎn)。目前，基于MXene 制成的分層膜、泡沫、氣凝膠等材料已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽性能[13-15]。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Chong Min Koo、德雷塞爾大學(xué)Yury Gogotsi等報(bào)道了二維過(guò)渡金屬碳化物材料Ti3CNTx MXene 具有合適的導(dǎo)電性，并且展現(xiàn)出高于相同厚度的Ti3CTx 或金屬薄膜材料的屏蔽能力。實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)電磁屏蔽的過(guò)程可使電磁波不對(duì)環(huán)境造成污染，符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念。因此，探索MXene 的該性能在未來(lái)服裝中的應(yīng)用發(fā)展前景極大。

3.3 抗菌性能及應(yīng)用

MXene 的抗菌性能優(yōu)于石墨烯，具有大的表面積、優(yōu)異的抗菌性能、更強(qiáng)的載藥能力。將MXene 與其他抗菌材料復(fù)合，可增強(qiáng)該材料的抗菌性能。由于MXene 超強(qiáng)的抗菌性能，很多研究者將MXene 與其他材料進(jìn)行復(fù)合制備抗菌纖維，或以其為抗菌劑對(duì)紡織品進(jìn)行抗菌整理。

在抗菌整理織物方面，MXene 材料已經(jīng)與棉織物、纖維素纖維非織造布、真絲等面料進(jìn)行結(jié)合，并結(jié)合其他材料達(dá)到更好的抗菌效果。趙兵等[16]發(fā)明了一種MXene 和AgNPs 協(xié)同的抗菌棉織物專(zhuān)利，將AgNPs 負(fù)載在MXene 納米片表面，形成MXene-AgNPs 的抗菌復(fù)合材料，提高了抗菌復(fù)合材料的結(jié)合牢度和持久性，證明了MXene 優(yōu)異的抗菌性能。采用MXene 結(jié)合的復(fù)合材料可用于制作具有抗菌性能的服裝。此外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，MXene 材料常與其他抗菌材料復(fù)合制備成抗菌纖維或抗菌敷料，用于受傷部位，防止細(xì)菌感染。

3.4 疏水性能及應(yīng)用

MXene 具有超疏水表面獨(dú)特的潤(rùn)濕性質(zhì)，具有自清潔、防污等功能，集成疏水性使之在智能服裝領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究者Wang 等[17]在棉織物上構(gòu)建了MXene/Ni 鏈/ZnO 陣列雜化納米結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該織物具有優(yōu)異的微波吸收性能和疏水性能。通過(guò)這種方式，使MXene 與織物結(jié)合牢固，創(chuàng)造出的新織物即使在惡劣條件下也能保持良好的疏水性能。

4 發(fā)展前景分析

雖然關(guān)于MXene 的研究仍處于起步階段，但作為一種種類(lèi)眾多、性能各異的二維層狀材料，MXene 在復(fù)合材料、潤(rùn)滑劑、環(huán)境污染治理、能量?jī)?chǔ)存、催化、傳感器、抗菌、電磁屏蔽等方面的材料學(xué)研究中取得的效果已經(jīng)較為突出。

筆者將MXene 材料在服裝中的應(yīng)用前景總結(jié)如下：(1)MXene引入超疏水表面制成材料具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能且不易氧化，可用于開(kāi)發(fā)特殊職業(yè)人群的防輻射服，以彌補(bǔ)目前市面上防輻射面料存在的缺陷。（2）MXene 材料可用于開(kāi)發(fā)靈敏度較高的柔性力敏材料，應(yīng)用于智能服裝領(lǐng)域，來(lái)參與生理信號(hào)、細(xì)微人體動(dòng)作、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和信號(hào)示蹤。（3）基于MXene 優(yōu)異的抗菌性能和較強(qiáng)的載藥能力，與MXene 結(jié)合的抗菌復(fù)合材料可用于制作具有抗菌性能的服裝。（4）MXene 制成的織物具有優(yōu)異的微波吸收性能和疏水性能，并且在惡劣條件下使用依舊能保持良好的疏水性能，可作為MXene 應(yīng)用到服裝上的一個(gè)研究方向。

5 結(jié)語(yǔ)

MXene 問(wèn)世的短短時(shí)間里，在制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是，研究者仍需要不斷探索這種二維材料，以期在織物結(jié)構(gòu)中引入這種新材料，充分發(fā)揮MXene 與基體材料間的優(yōu)異性能，這將有助于紡織設(shè)備在儲(chǔ)能應(yīng)用之外的發(fā)展。使MXene材料逐漸在服裝領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)，為服裝行業(yè)帶來(lái)更多的可能性。