纤维素纳米纤维/MXene功能复合材料的协同构建及性能研究

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huayi8888
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纤维素纳米纤维(CNFs)是主要来源于天然植物中的一种新型一维纳米材料,具有来源广泛、绿色环保、长径比高、力学性能优异、物化性能丰富可调等特点,在柔性可穿戴电子领域具有重要的潜在应用价值。CNFs可以赋予柔性电子产品出色的力学性能,但是由于CNFs是电子绝缘性材料,这也会为电子产品带来低电导率的问题。MXenes作为一种新兴的二维纳米材料,其具有优异的导电性、导热性、光热性能以及抗菌性能等优点,受到了众多科研工作者的广泛关注,广泛应用于能源、环境、生物医用等多个领域。但是,二维MXene纳米片的层间结合力较差,导致所构建的MXene基宏观材料的力学强度低、柔韧性较差,限制了MXene材料的实际应用。因此,本论文基于CNFs与MXene所具有的优异物化特性,开发了多种具有不同结构形态的CNFs/MXene功能复合材料的构建策略和调控方法,揭示了一维CNFs与二维MXene纳米片的协同作用机制,通过组分调控和结构设计提升了CNFs/MXene复合材料的综合性能,并探索了CNFs/MXene功能复合材料在多种柔性电子场景(如电磁屏蔽、电子纤维织物、纳米发电机(TENGs)等)中的应用,为实现纤维素纳米纤维材料的功能化、高值化、多元化利用提供了理论支撑和实验依据。主要涵盖以下几个方面:(1)针对传统电磁屏蔽材料厚度大、力学性能差、屏蔽性能不理想的问题,将一维CNFs和二维d-Ti3C2Tx MXene进行复合,利用抽滤辅助自组装的策略,制备出超薄、柔性的CNFs/d-Ti3C2Tx复合电磁屏蔽纸。在二维d-Ti3C2Tx纳米片和一维CNFs的“砖-泥”协同作用下,复合纸的拉伸强度和耐折次数分别可达~135.4 MPa和~14260次;基于其出色的导电性(739.4 S m-1),CNFs/d-Ti3C2Tx复合纸在X波段下的电磁屏蔽值>20 d B,可以屏蔽99.7%以上的电磁波。因此,该CNFs/d-Ti3C2Tx复合屏蔽纸在柔性穿戴设备、武器装备、机器人关节等领域具有广阔的应用前景。(2)上一研究工作中将CNFs与MXene进行直接掺杂会造成复合纸导电性降低的问题,本节采用交替抽滤的策略制备得到了具有梯度和“三明治”结构超薄、柔性的碳纳米管(CNTs)/d-Ti3C2Tx/CNFs(CMC GS)复合纸。在该研究中,CNFs以夹层的方式引入复合纸中,在保证复合纸具有出色力学性能(拉伸强度约为97.9 MPa)的同时,消除了CNFs作为绝缘材料的直接掺杂造成复合纸导电性降低的问题(电导率约为2506.6 S m-1)。此外,CNTs的加入也使得d-Ti3C2Tx纳米片进行重新堆积,所得单层复合纸呈现狭缝状微孔和波浪状分层结构,这些特殊结构有利于电磁波在复合纸中进一步衰减,从而提高复合纸的电磁屏蔽性能(单层复合纸的EMI SE>43 d B)。通过分析不同结构复合纸的屏蔽性能,我们发现“三明治”结构能显著提高复合纸的总电磁屏蔽值,而梯度结构主要影响吸收系数、SER和SEA值。因此,本研究工作对于制备屏蔽性能可调的复合材料具有重要的指导意义。(3)受天然材料的启发,我们使用由TEMPO氧化法提取的CNFs(TOCNFs)和d-Ti3C2Tx MXene混合浆料通过3D打印结合溶剂交换的策略,制备出导电、柔性的智能纤维织物。混合浆料表现出优异的流变特性,使其能够在打印针头的牵引下获得精确的结构和快速打印。模仿植物纤维的天然结构特征,混合浆料中的TOCNFs/d-Ti3C2Tx在乙醇中自组装形成有序排列的纤维。与功能有限的传统合成纤维相比,智能TOCNFs/d-Ti3C2Tx纤维织物具有出色的电热/光热响应能力。TOCNFs/d-Ti3C2Tx纤维织物可以被加工成应变传感器,用于监测人体多种运动信号。该纤维织物在未来的智能纺织品、运动医学监测等多个应用领域具有不错的应用潜力。(4)针对传统TENGs难以同时实现可拉伸性和高电输出性能的问题,提出以TOCNFs/MXene混合液为液体电极,硅胶为封装层和摩擦层,构建形状自适应、高电输出性能的摩擦纳米发电机(CM-TENG)。CM-TENG的开路电压可高达~300 V。TOCNFs/MXene液体电极具有优良的流动性和高电负性,使得TENG产生稳定的电输出,不受各种极端变形的影响。设计了一种基于CM-TENG的能量转换系统,可以采集人体机械能转化为电能,并可存储于电容器中,为电子手表、温度传感器等电子产品供电。此外,CM-TENG还可以贴附于人体皮肤和衣服上,作为人体运动传感器,用于监测各种生理运动的频率和幅度。这项工作为可拉伸电源和自供电力学传感器的构建提供了一种新的思路,在软体机器人、运动学和生物力学等领域有着潜在的应用前景。
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