MXene是一個二維納米材料的大家族，具有高電導率（≈104S/cm）、高比表面積（≈106）和傑出的機械性能（楊氏模量≈330 GPa）。同時，其表面具有豐富的官能團，適用於製備多功能聚合物複合材料。目前，基於纖維的應變傳感器很難做到既滿足工業級編織織物需要的力學性能，又可以實現大規模連續化（>100 m）生產。製備可編織、兼具高導電和可拉伸性的纖維應變傳感器仍是一個挑戰。與常用的導電填料相比，MXene基的複合纖維可以兼顧導電性能與彈性。
美國德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授、Shayan Seyedin博士和澳大利亞迪肯大學的Joselito M. Razal教授等近日報道了一種基於Ti3C2Tx MXene/聚氨酯（PU）的複合纖維及同軸纖維，具有可編織性、高導電性和可拉伸性能，實現了MXene基纖維和織物在應變傳感器上的應用。該研究成果以”MXene Composite and Coaxial Fibers with High Stretchability and Conductivity for Wearable Strain Sensing Textiles” 為題發表在《先進功能材料》上（見文後原文鏈接）。
圖文解析
圖1. a) MXene/PU纖維紡絲工藝示意圖；b) 100 m長，MXene含量9.1 wt% 的MXene/PU纖維經異丙醇(IPA)凝固浴紡絲後的數碼照片；c) MXene/PU纖維在不同MXene含量和不同紡絲條件下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
解析：作者前期探索發現，MXene/PU複合材料膜（10 wt% MXene）在DMSO溶劑中導電，而在DMF中不導電，猜測是DMSO在MXene中具有更好的插層效果，從而有更高的分散性。因此採用溶劑置換法將MXene和PU分散在DMSO中，進行溼法紡絲，探究了不同含量的MXene及不同凝固浴對纖維成形的影響。作者發現IPA可以實現低MXene含量（28.6 wt%）下的紡絲，但是在高MXene含量下纖維容易斷。然而，將乙酸（AcOH）代替IPA可以實現MXene含量在0-100 wt%範圍內的紡絲。從圖1c的SEM斷面圖中也可以看出，IPA凝固浴中纖維截面呈不規則帶狀，在AcOH中截面卻近乎圓形。
圖2. a) MXene/PU纖維各階段應力-應變曲線示意圖；b) 代表性纖維的應力-應變曲線；不同MXene含量及紡絲條件下的MXene/PU fibers的c) 楊氏模量、d) 拉伸強度和e)斷裂伸長率。(c-e) 中的陰影區域顯示了可以使用IPA凝固浴製備纖維的MXene含量範圍。
解析：PU鏈由兩部分組成：軟段(SS)，形成無定形相，提供較大的伸長率；硬段(HS)，聚成有序的硬區，提供剛性，因此形成了圖2a中的三段區域。剛性HS導致區域I的剛性響應。SS鏈的延伸最初導致應變誘導軟化(區域II)，當PU進一步拉伸時增加了SS鏈的有序排列，最終導致SS相應變誘導結晶(SIC) (區域III)。MXene含量在9.1 wt%以上的纖維僅表現為剛性區。纖維在剛性區的應力-應變曲線圖顯示，MXene具有顯著的增強（剛度增加）效應(圖2c)。IPA紡絲纖維的楊氏模量從7.1 MPa（純PU）增加到1145 MPa（MXene含量在28.6 wt %時的MXene/PU纖維，φ= 0.085)。
圖3. a)不同MXene/PU纖維在單軸拉伸下的應變傳感性。b) MXene含量9.1 wt%，IPA凝固浴紡絲得到的MXene/PU纖維在不同應變的循環拉伸-釋放條件下的機電性能。b)中的插圖顯示了相同纖維在30%應變下6個循環的機電性能。根據(a)計算出不同MXene/PU纖維的c) 傳感範圍和d）靈敏度值。(c,d)中的陰影區域表示可以使用IPA凝固浴製備纖維。
解析：圖3a顯示出了不同種類纖維的應變傳感行為，並在圖3c和d中分別計算出不同纖維的傳感範圍和靈敏度因子GF。傳感範圍和靈敏度對於應變傳感器是很重要的參數指標，數據顯示出所製備的纖維具有很好的應變傳感性能。拉伸誘導變化是該複合材料纖維應變傳感的主要原因。圖3b的電阻變化原因是拉伸時相互疊加的MXene片的破壞導致電阻的增加，應力釋放後導電網絡恢復從而電阻降低到接近原始值。MXene的高電導率使得MXene/PU複合纖維的傳感範圍
可達到152%。
圖4. a) 由9.1 wt% MXene含量的MXene/PU複合纖維的a)單股和b)四股紗線製成的針織單面針織物及其示意圖。c) MXene/PU四股編織織物在不同應變下的機電性能研究。d) 為(c) 中100%，150%和200%選20分鐘的ΔR/R0部分放大圖。e) 每個循環中的拉伸(RL)和釋放(Ru)處的ΔR/R0曲線圖。
解析：通過工業級的針織機將MXene/PU複合纖維經過緯編機織成織物，進行織物的傳感性能測試。圖4a,b可以觀察到針織四股紗線比單纖維編織的織物有更均勻和更密集的線圈，這可能是由於單纖維的直徑相對較小(≈115μm)以及用於針織的針距小(15G)。圖4c,d用四股纖維編織的織物進行應變傳感性能測試，可以看到織物的電阻在拉伸時降低，在釋放時增加，導致GF為負，而不同纖維的傳感行為與GFs為正相反(圖3b)。這是由於針織物在拉伸時互鎖纖維之間的接觸電阻降低，導致的織物傳感器的電阻響應降低。此外，還測量了每個循環拉伸(ΔRL/R0)和釋放(ΔRU/R0)的ΔR/R0，並觀察到它們的差異隨著施加的應變而增加(圖4e)，這表明傳感器能夠區分不同程度的拉伸。
在200%拉伸應變下GF達到-7.5，顯著高於之前報道的針織物傳感器的靈敏度值（-1）。【總結】
作者報道了可連續生產的具有高導電性和可拉伸性的MXene/PU複合纖維和同軸纖維，並且可以通過商業化的針織機編織成織物。MXene/PU複合纖維可以檢測到高達152%的應變，其GF高達12900。這項工作中發現的基於MXene的應變傳感纖維和織物為一系列需要身體運動監測的可穿戴應用提供了一個實用的平臺，如運動指導、康復和損傷預防、患者的遠程健康監測、軟體機器人、虛擬現實和娛樂。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910504
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