MXene材料在紡織與服裝中的應用及其發(fā)展前景

李丹，關福旺，楊竹麗

（泉州師范學院，福建 泉州362000）

近年來，過渡金屬碳氮材料（MXene）在二維材料中脫穎而出。MXene 不僅具有類似金屬的超高電導率還具有優(yōu)秀的機械性能，其親水表面和高度可調的表面基團使它更易與其他材料形成復合材料，研究者們不斷嘗試探索MXene 材料的更多性能。已有文獻大多是對二維材料Mxene 的結構等方面的總結或對其在新能源、光學、化學、物理學等領域應用的探索，關于Mxene 材料應用在服裝材料上的研究極少。通過查閱有關文獻資料和網絡調查，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，探討其應用于服裝材料的機遇和挑戰(zhàn)。

1 MXene 材料簡介

Mxene 是指一種過渡金屬碳化物、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，化學通式為Mn+1XnTX，其中(n=1-3)，M 代表早期過渡金屬（如如Sc、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Mo 等），X 代表C 或N 元素，Tx 表示MXene由化學刻蝕前驅體MAX 相而產生的附著在其表面的官能團（如-OH、-O、-F 等），分別產生M2X、M3X2和M4X3形式的MXene[2]。目前研究最多的一類MXene 就是Ti3C2Tx，具有較大的比表面積和過渡金屬碳化物良好的金屬導電性、較大的電容[3]，且電學、力學及穩(wěn)定性等性能可通過過渡金屬、氮原子或者碳原子以及表面官能團的種類和數(shù)量比例等因素調控,在超級電容器、電池、電磁干擾屏蔽和復合材料等中得到越來越廣泛的應用[3]。圖1 為MAX 相的結構和相應的MXene。

圖1 MAX相的結構和相應的MXene[2]Fig.1 Structure ofMAXphase and corresponding MXene[2]

2 MXene 新型材料研究現(xiàn)狀

目前，Mxene 在儲能、電磁屏蔽、復合材料等多個領域的應用研究非常熱門。但在研究調查后發(fā)現(xiàn)，該材料在服裝領域的運用前景也較好。

國外對于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能裝置，織物設備得益于新導電材料的發(fā)現(xiàn)和織物設備設計的創(chuàng)新。這些設備包括基于織物的超級電容器（TSCs），它們在為可穿戴設備供電方面具有實際價值。Mashtalir 等[5]研究了Ti3C2Tx 吸附染料分子的性能。Ti3C2Tx 的表面顯電負性，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。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45 μm 厚的Ti3C2Tx 薄膜電磁屏蔽效應可達到92 dB，是迄今所制造的屏蔽性能表現(xiàn)最佳的合成材料。

這些實驗結果表明MXene 種類眾多、性能各異，目前已經在多領域展開了應用實驗。隨著材料領域技術的不斷進步，MXene 在制備、結構、性能和應用方面取得了長足的發(fā)展，擁有巨大的應用前景。

3 MXene 性能及在服裝上的運用探索

澳大利亞迪肯大學Genevieve Dion、美國德雷克塞爾大學Yury Gogotsi 和Joselito M.Razal 報道了用于生產MXene 基纖維、紗線和織物的技術以及設備設計和性能指標方面的進展，并討論了在纖維、紗線、織物結構中引入這種新材料所面臨的挑戰(zhàn)，這將有助于紡織設備在儲能應用之外的發(fā)展[4]。如圖2，通過為纖維增添技術功能，編織到紡織品中，不會損害其耐磨性，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合，讓其在紡織領域的應用越來越多，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 柔性力敏材料及應用

科學技術和智能產業(yè)的飛速發(fā)展使微型及可穿戴產品得到大規(guī)模推廣，也讓具有移動傳感和反饋功能的設備及相關服務迅猛發(fā)展。然而在實際應用中，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了這一缺陷，在復雜的人體交互中可以承受較大的變形和壓力，具有良好的應用前景。因此，開發(fā)具備柔性、電化學活性和機電活性、可被織成全織物的紗線，為大規(guī)模生產提供設備成為研究者的重要任務。

目前，MXene 柔性力敏材料主要應用于可穿戴電子設備，作用于對生理信號以及細微人體動作的監(jiān)測。對人體的心臟和脈搏等復雜信號的細微動作監(jiān)測，需要力敏材料有著極小的探測限、高靈敏性以及較短的響應時間[8,9]。關節(jié)的彎曲運動會產生拉伸作用，應變較大，拉伸應變傳感器需要MXene 基柔性力敏材料有著較高的工作應變；信號示蹤主要是基于壓力傳感器實現(xiàn)的。Zhao 等[10]開發(fā)出一種智能織物，通過浸漬工序將Ti3C2Tx 納米片沉積在纖維素纖維的非織造布上，構建了一種基于MXene 的多功能織物，它可以進行呼吸檢測，也可以作為低壓熱療平臺，這種面料在醫(yī)療領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用

隨著科學技術的進步，通信設備、微波產品、家用電器、電子產品等電磁輻射源廣泛地出現(xiàn)在人們的日常生活當中,電磁輻射所產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敏，銀纖維易氧化等痛點。為此有研究者開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。目前，基于MXene 制成的分層膜、泡沫、氣凝膠等材料已經表現(xiàn)出優(yōu)異的電磁屏蔽性能[13-15]。

韓國科學技術院Chong Min Koo、德雷塞爾大學Yury Gogotsi等報道了二維過渡金屬碳化物材料Ti3CNTx MXene 具有合適的導電性，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。實驗表明，這個電磁屏蔽的過程可使電磁波不對環(huán)境造成污染，符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念。因此，探索MXene 的該性能在未來服裝中的應用發(fā)展前景極大。

3.3 抗菌性能及應用

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、更強的載藥能力。將MXene 與其他抗菌材料復合，可增強該材料的抗菌性能。由于MXene 超強的抗菌性能，很多研究者將MXene 與其他材料進行復合制備抗菌纖維，或以其為抗菌劑對紡織品進行抗菌整理。

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

3.4 疏水性能及應用

MXene 具有超疏水表面獨特的潤濕性質，具有自清潔、防污等功能，集成疏水性使之在智能服裝領域具有廣闊的應用前景。研究者Wang 等[17]在棉織物上構建了MXene/Ni 鏈/ZnO 陣列雜化納米結構，發(fā)現(xiàn)該織物具有優(yōu)異的微波吸收性能和疏水性能。通過這種方式，使MXene 與織物結合牢固，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

雖然關于MXene 的研究仍處于起步階段，但作為一種種類眾多、性能各異的二維層狀材料，MXene 在復合材料、潤滑劑、環(huán)境污染治理、能量儲存、催化、傳感器、抗菌、電磁屏蔽等方面的材料學研究中取得的效果已經較為突出。

筆者將MXene 材料在服裝中的應用前景總結如下：(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，可用于開發(fā)特殊職業(yè)人群的防輻射服，以彌補目前市面上防輻射面料存在的缺陷。（2）MXene 材料可用于開發(fā)靈敏度較高的柔性力敏材料，應用于智能服裝領域，來參與生理信號、細微人體動作、關節(jié)運動信號的監(jiān)測和信號示蹤。（3）基于MXene 優(yōu)異的抗菌性能和較強的載藥能力，與MXene 結合的抗菌復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 應用到服裝上的一個研究方向。

5 結語

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