CN116219574A - 柔性MXene高分子复合纤维及其制备方法 - Google Patents

柔性MXene高分子复合纤维及其制备方法 Download PDF

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CN116219574A CN202310279774.1A CN202310279774A CN116219574A CN 116219574 A CN116219574 A CN 116219574A CN 202310279774 A CN202310279774 A CN 202310279774A CN 116219574 A CN116219574 A CN 116219574A
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蒋高明
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Abstract

本申请关于一种柔性MXene高分子复合纤维及其制备方法，涉及导电纤维领域。本申请是采用多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸作为价键供体和软联锁剂，将MXene与TPU、碳纳米管或其衍生物、纳米银颗粒进行交联复合，构筑稳固的导电网状结构，然后通过湿纺纺丝技术制备柔性MXene高分子复合纤维。解决了现有方法制备得到的湿纺MXene高分子复合纤维中MXene纳米片层较小且大小不均，层间相互作用弱，自支撑结构差，难以与高分子柔性材料结合构筑导电网状结构，而且MXene易于氧化，从而丧失导电性能的问题。

Description

柔性MXene高分子复合纤维及其制备方法
技术领域
本申请涉及导电纤维技术领域，特别涉及一种柔性MXene高分子复合纤维及其制备方法。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的提高和对自身健康保护意识的增强，合成导电纤维的推广使用必然成为趋势，因此导电纤维的加工应向工艺简单、低成本的方向发展。而纳米技术的发展和系列功能纳米材料的开发和市场化为发展合成导电纤维带来了契机。特别是MXene作为一种二维层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，具有二维层状类石墨烯结构。得益于其类石墨烯的二维层状结构和化学组成，具有高电导率(≈104S/cm)、高比表面积(≈106m2/g)和优良的机械性能(杨氏模量≈330GPa)，获得了国内外研究人员的广泛关注，它是构建柔性传感器件的核心材料之一。将MXene纳米材料宏观组装成一维纤维的一个实用方法是湿法纺丝，通过纺丝液的凝胶化及凝固浴的固化形成纤维。例如一些研究者尝试利用MXene液晶制备了高导电的纯MXene纤维。类似于氧化石墨和碳纳米管，当具有高纵横比的MXene纳米片在分散液中达到了一定浓度即可形成有取向的液晶，再通过湿法纺丝技术，即可制备得到高度取向的MXene纤维。该纤维展现出高的电导率，但值得注意的是，这些纯MXene纤维的力学强度仍然较差，这使得纤维在实际过程中很难操作和展现功能。随后研究人员将MXene纳米片与聚氨酯(PU)等高分子纺丝液共混均匀后，再进行湿法纺丝可以得到MXene高分子复合纤维。湿法纺丝制备的MXene高分子复合纤维是一种相对简单且可扩展的方法，MXene可赋予高分子纤维导电、抗菌、传感、储能等多重特性。然而由于MXene纳米片层较小且大小不均，层间相互作用弱，自支撑结构差，其与PU作用时，难以与其结合呈稳固的导电网状结构，纤维分子链间易滑移，导致纤维电导率较低。因此，制备同时具有高电导率和高拉伸强度的MXene复合纤维，对于拓展MXene高分子复合纤维的实际应用至关重要。
目前的方法制备得到的湿纺MXene高分子复合纤维中MXene纳米片层较小且大小不均，层间相互作用弱，自支撑结构差，难以与高分子柔性材料结合构筑导电网状结构，而且Mxene易于氧化，从而丧失导电性能。需要对MXene表面进行功能化改性或使用交联剂可能会提高MXene高分子复合纤维的导电性能，同时改善MXene高分子复合纤维的拉伸强度。
发明内容
本申请的目的是提供一种柔性MXene高分子复合纤维及其制备方法，以解决现有方法制备得到的湿纺MXene高分子复合纤维中MXene纳米片层较小且大小不均，层间相互作用弱，自支撑结构差，难以与高分子柔性材料结合构筑导电网状结构，而且MXene易于氧化，从而丧失导电性能的问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案为：
一方面，本申请提供了一种柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、将TPU加入DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到TPU纺丝原液；
S2、将MXene或其衍生物以及多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸依次加入到DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合溶液；
S3、将碳纳米管或其衍生物以及银粉末依次加入所述MXene混合溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合导电溶液；
S4、将所述MXene混合导电溶液缓慢倒入所述TPU纺丝原液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合纺丝溶液；
S5、将所述MXene混合纺丝溶液注入注射器中，在常温下进行湿法纺丝，使用注射泵将所述MXene混合纺丝溶液挤出至DMF水性凝固浴中，将经凝固浴凝固成型的初生纤维进行三倍的机械牵伸后，再进行热定型处理，最后将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥，得到柔性MXene高分子复合纤维。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S1中：
所述TPU的含量为0.5-10.5g/L；
所述DMF的质量体积浓度为40-300mg/mL；
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为150-650rpm，搅拌时间为3-12h。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S2中：
所述MXene或其衍生物的浓度为15-75mol/L；
所述多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸的浓度为0.2-10.2mol/L；
所述DMF的质量体积浓度为10-30mg/mL；
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为250-850rpm，搅拌时间为15-55min。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S2中：
所述多巴胺或其衍生物包括盐酸多巴胺、类聚多巴胺、N-3,4-二羟基苯乙基丙烯酰胺中的一种。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S2中：
所述MXene或其衍生物包括碳化钛、碳化二钛、碳化二铌、碳化二钒、氮碳化二钛、氮化二钛中的一种。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S3中：
所述碳纳米管或其衍生物的浓度为0.5-12.5mol/L，所述银粉末的浓度为2.5-6.5mol/L；
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为100-700rpm，搅拌时间为4-12h。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S3中：
所述碳纳米管或其衍生物包括氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管、CNTs-AM中的一种。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S4中：
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为150-650rpm，搅拌时间为4-8h。
在一种可能的实现方式中，所述步骤S5中：
所述注射器的体积容量为5-40mL，针头内径为0.2-0.8mm；
所述湿法纺丝的纺丝速率为0.5-10.5mL/h；
所述凝固浴的长度为90cm；
所述热定型处理的温度为60℃；
所述将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥中的干燥温度为25-45℃、干燥时间为4-8h。
另一方面，本申请还提供了一种柔性MXene高分子复合纤维，所述柔性MXene高分子复合纤维由上任一所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法制备得到。
本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
(1)本申请是采用多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸作为价键供体和软联锁剂，将MXene与TPU、碳纳米管或其衍生物、纳米银颗粒进行交联复合，构筑稳固的导电网状结构，然后通过湿纺纺丝技术制备柔性MXene高分子复合纤维。该交联复合是指：一方面多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸中的胺基、酚羟基等通过氢键、π-π堆积、静电相互作用等与MXene或其衍生物的亲水基团进行插层锁联，抑制了MXene或其衍生物的氧化分解，保持其导电能力；另一方面MXene或其衍生物通过金属螯合、共价反应、疏水相互作用等与TPU、碳纳米管或其衍生物、纳米银颗粒构筑稳固的导电网状结构。上述稳固的导电网状结构是指：一方面银纳米粒子与碳纳米管或其衍生物之间的二维导电网络结构；另一方面，MXene或其衍生物和碳纳米管或其衍生物与银纳米粒子之间的三维导电网络结构。
(2)本申请采用湿纺纺丝的方法解决了导电纤维中MXene或其衍生物与其它组分的键合牢固度的问题，与现有技术相比，本申请提供了一种简单的制备纤维的方法，纺丝工艺过程简便，生产灵活。生产出的纤维不仅具有较高的电导率，而且具有拉伸强度高、手感好等特点，完全能够满足纺织等后道工序的要求。用上述材料和制备方法得到的导电纤维具有良好的导电性能，除可用作可穿戴器件、防静电材料外，还可以吸收雷达、红外线、紫外线等，应用于许多特殊领域。
(3)本申请的方法制备得到的柔性MXene高分子复合纤维的拉伸强度为536.14MPa，应变为986.08％，经过650次摩擦后，电导率在1762-1792S/cm之内；经过240次水洗之后，电导率在1765-1792S/cm之内；说明该导电合成纤维具有机械可靠性和长期耐久性。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法的流程图；
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的柔性MXene高分子复合纤维的电镜图；
图3示出了MXene(Ti3C2Tx)混合导电材料与软联锁插TPU的多巴胺：聚苯乙烯磺酸之间的合成机理和化学结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
其中，相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是本申请说明书附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本申请说明书的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面结合附图和实施例对本申请作更进一步的说明。
首先，对本申请实施例中涉及的名词进行简单的介绍：
TPU，是Thermoplastic Urethane的简称，中文名称为热塑性聚氨酯弹性体，TPU是由二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)和大分子多元醇、扩链剂共同反应聚合而成的高分子材料。
DMF，二甲基甲醯胺(DMF或N,N-dimethylformamide)是一种透明液体，能和水及大部分有机溶剂互溶，它是化学反应的常用溶剂。
Tris缓冲液，是指Tris-HCl(三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液)，具体由三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液与盐酸混匀后，加水稀释得到。
MXene，作为一种二维层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，具有二维层状类石墨烯结构。得益于其类石墨烯的二维层状结构和化学组成，具有高电导率(≈104S/cm)、高比表面积(≈106m2/g)和优良的机械性能(杨氏模量≈330GPa)，获得了国内外研究人员的广泛关注，它是构建柔性传感器件的核心材料之一。
羧基化CNTs，将碳纳米管放入浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中进行刻蚀超声处理后，再置于70～80℃下搅拌后即得羧基化CNTs。
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤S1、将TPU加入DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到TPU纺丝原液。
在本实施例步骤S1中，TPU的含量为0.5-10.5g/L；DMF的质量体积浓度为40-300mg/mL；恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为150-650rpm，搅拌时间为3-12h。
步骤S2、将MXene或其衍生物以及多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸依次加入到DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合溶液。
在本实施例步骤S2中，MXene或其衍生物的浓度为15-75mol/L；多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸的浓度为0.2-10.2mol/L；DMF的质量体积浓度为10-30mg/mL；恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为250-850rpm，搅拌时间为15-55min。可选地，多巴胺或其衍生物包括但不限于盐酸多巴胺(DA·HCl)、类聚多巴胺(DATA)、N-3,4-二羟基苯乙基丙烯酰胺(DAA)中的一种。可选地，MXene或其衍生物包括但不限于碳化钛(Ti3C2Tx)、碳化二钛(Ti2C)、碳化二铌(Nb2C)、碳化二钒(V2C)、氮碳化二钛(Ti2CN)、氮化二钛(Ti2N)中的一种。
步骤S3、将碳纳米管或其衍生物以及银粉末依次加入MXene混合溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合导电溶液。
在本实施例步骤S3中，碳纳米管或其衍生物的浓度为0.5-12.5mol/L，银粉末的浓度为2.5-6.5mol/L；恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为100-700rpm，搅拌时间为4-12h。可选地，碳纳米管或其衍生物包括氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管、CNTs-AM中的一种。
步骤S4、将MXene混合导电溶液缓慢倒入TPU纺丝原液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合纺丝溶液。
在本实施例步骤S4中，恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为150-650rpm，搅拌时间为4-8h。
步骤S5、将MXene混合纺丝溶液注入注射器中，在常温下进行湿法纺丝，使用注射泵将MXene混合纺丝溶液挤出至DMF水性凝固浴中，将经凝固浴凝固成型的初生纤维进行三倍的机械牵伸后，再进行热定型处理，最后将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥，得到柔性MXene高分子复合纤维。
在本实施例步骤S5中，注射器的体积容量为5-40mL，针头内径为0.2-0.8mm；湿法纺丝的纺丝速率为0.5-10.5mL/h；凝固浴的长度为90cm；热定型处理的温度为60℃；将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥中的干燥温度为25-45℃、干燥时间为4-8h。
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的柔性MXene高分子复合纤维的电镜图，该柔性MXene高分子复合纤维由上述实施例所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法制备得到。
综上所述，本申请是采用多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸作为价键供体和软联锁剂，将MXene与TPU、碳纳米管或其衍生物、纳米银颗粒进行交联复合，构筑稳固的导电网状结构，然后通过湿纺纺丝技术制备柔性MXene高分子复合纤维。该交联复合是指：一方面多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸中的胺基、酚羟基等通过氢键、π-π堆积、静电相互作用等与MXene或其衍生物的亲水基团进行插层锁联，抑制了MXene或其衍生物的氧化分解，保持其导电能力；另一方面MXene或其衍生物通过金属螯合、共价反应、疏水相互作用等与TPU、碳纳米管或其衍生物、纳米银颗粒构筑稳固的导电网状结构。上述稳固的导电网状结构是指：一方面银纳米粒子与碳纳米管或其衍生物之间的二维导电网络结构；另一方面，MXene或其衍生物和碳纳米管或其衍生物与银纳米粒子之间的三维导电网络结构。另外，本申请采用湿纺纺丝的方法解决了导电纤维中MXene或其衍生物与其它组分的键合牢固度的问题，与现有技术相比，本申请提供了一种简单的制备纤维的方法，纺丝工艺过程简便，生产灵活。生产出的纤维不仅具有较高的电导率，而且具有拉伸强度高、手感好等特点，完全能够满足纺织等后道工序的要求。用上述材料和制备方法得到的导电纤维具有良好的导电性能，除可用作可穿戴器件、防静电材料外，还可以吸收雷达、红外线、紫外线等，应用于许多特殊领域。
为了更好的理解本申请，下面利用一个具体实施例对本申请作更进一步的说明。需要说明的是，该具体实施例所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，不限定本申请保护的范围。
一种柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、将TPU加入DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到TPU纺丝原液。
在本实施例步骤S1中，TPU的含量为4.5g/L；DMF的质量体积浓度为60mg/mL；恒温磁力搅拌器的恒温温度为45℃，搅拌速度为350rpm，搅拌时间为8h。
步骤S2、将MXene(Ti3C2Tx)以及多巴胺：聚苯乙烯磺酸依次加入到DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene(Ti3C2Tx)混合溶液。
在本实施例步骤S2中，DMF的质量体积浓度为20mg/mL；MXene(Ti3C2Tx)的浓度为60mol/L；多巴胺：聚苯乙烯磺酸的浓度为6.5mol/L；恒温磁力搅拌器的恒温温度为45℃，搅拌速度为400rpm，搅拌时间为45min。
步骤S3、将CNTs-AM以及银粉末依次加入MXene(Ti3C2Tx)混合溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene(Ti3C2Tx)混合导电溶液。
在本实施例步骤S3中，CNTs-AM的浓度为4.8mol/L，银粉末的浓度为3.2mol/L；恒温磁力搅拌器的恒温温度为45℃，搅拌速度为400rpm，搅拌时间为4h。
步骤S4、将MXene(Ti3C2Tx)混合导电溶液缓慢倒入TPU纺丝原液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene(Ti3C2Tx)混合纺丝溶液。
在本实施例步骤S4中，恒温磁力搅拌器的恒温温度为45℃，搅拌速度为450rpm，搅拌时间为6h。
步骤S5、将MXene(Ti3C2Tx)混合纺丝溶液注入注射器中，在常温下进行湿法纺丝，使用注射泵将MXene(Ti3C2Tx)混合纺丝溶液挤出至DMF水性凝固浴中，将经凝固浴凝固成型的初生纤维进行三倍的机械牵伸后，再进行热定型处理，最后将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥，得到如图2所示的柔性MXene高分子复合纤维。
在本实施例步骤S5中，注射器的体积容量为35mL，针头内径为0.5mm；湿法纺丝的纺丝速率为4.2mL/h；凝固浴的长度为90cm；热定型处理的温度为60℃；将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥中的干燥温度为40℃、干燥时间为6h。
需要说明的是，本实施例中采用的丙烯酰胺(AM)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)购自天津市大茂化学试剂厂，氯化亚砜(SOCl2)购自天津市天力化学试剂有限公司，羧基化碳纳米管(CNTs-COOH)、纳米银粉以及Ti3AlC2MAX购自南京先丰纳米材料科技有限公司，氟化锂LiF分析纯(AR)购自上海麦克林生化科技有限公司，盐酸HCl分析纯(AR)购自珠海市华成达化工有限公司，聚苯乙烯磺酸(PSS)-(C8H8O3S)n购自江苏鸿博化工有限公司，盐酸多巴胺购自国药集团国瑞药业有限公司，其他未具体说明的溶液是以水为溶剂。
进而，实例中CNTs-AM粉末制备方法包括：
将4.0g的羧基化CNTs置于60mL的DMF中，超声分散30min，加入120mL的SOCl2，在75℃下磁力搅拌反应12h；
冷却后，过滤，用DMF洗涤，除去其表面未反应的SOCl2；
将滤饼超声分散于20mL的乙酸乙酯和160mL的LEDA的混合液中，在100℃下搅拌反应8h，抽滤，去离子水洗涤，40℃下干燥至恒重，制得氨基化CNTs；
将氨基化CNTs超声分散于50mL的无水乙醇中，加入60g的AM，于室温下磁力搅拌反应78h，反应结束后，使用布氏漏斗过滤，用乙醇反复洗涤，滤饼在70℃下干燥48h，记为CNTs-AM。
进而，实例中的多巴胺：聚苯乙烯磺酸，也即DA：PSS粉末的制备方法包括：
首先制备三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液，用稀盐酸调节使其pH为8.5；
称取分子量为70kDa的聚苯乙烯磺酸钠4g加入到Tris缓冲溶液中搅拌5min；
随后加入2g盐酸多巴胺继续搅拌，常温常压下反应12h；
盐酸多巴胺单体在空气中容易发生氧化，反应体系的颜色从无色逐渐变为浅黄色，最后变成深棕色；
反应后的产物用分子量为1000Da的透析膜进行透析，彻底除去无机盐、没有反应的单体或多巴胺的低聚物和缓冲物质；
除去杂质的多巴胺分散体系进一步进行冷冻干燥，得到固体产品，用作表征，固体产品在水中有很好的溶解性(>10mg/mL)，同时也能溶解在有机溶剂DMSO中，合成的复合物简称DA：PSS。
进而，实例中的MXene纳米片层粉末的制备方法包括：
通过使用LiF/HCl水溶液从MAX相(Ti3AlC2)中选择性刻蚀掉Al层制备MXene(Ti3C2Tx)，首先在搅拌下将2.5g的LiF分散在50Ml的盐酸溶液(12mol/L)中；
然后再向溶液中缓慢加入2.5g的MAX(Ti3AlC2)；
随后在磁力搅拌下使溶液在40℃下反应48小时，以将Al层完全刻蚀掉；
48小时后，将获得的产物用去离子水稀释，离心，重复若干次直至离心上清液的pH大于6.0；
再将离心所得沉淀物冷冻干燥12小时，即得MXene纳米片层；
为得到少层或者单层的MXene纳米片，对上述得到的MXene纳米片层进行进一步的剥离处理，将MXene纳米片层与插层剂混合，用细胞粉碎机在冰浴条件下超声处理一段时间，再离心收集下层沉淀物；
将上述沉淀物与去离子水混合，然后超声使MXene在水中分散均匀。离心后收集上清液，此上清液即为少层MXene分散液；
再对分散液冷冻干燥即得少层MXene纳米片层粉末。
接下来，将上述得到的柔性MXene高分子复合纤维进行性能测试：
1、力学性能测试
室温下采用深圳三思纵横科技股份有限公司的UTM2203型伺服控制万能试验机对纤维进行拉断测试，拉伸速率为10mm/min，每个含量样品至少测试5个并计算其平均值。
1.1、试样的拉伸强度采用如下公式一进行计算：
Figure BDA0004137698780000111
式中，σ为拉伸强度(Pa)；P为最大负荷(N)；S为试样的横截面积(m2)。
1.2、试样的断裂伸长率采用如下公式二进行计算：
Figure BDA0004137698780000112
式中：ε为断裂伸长率；L0为试样的初始长度(mm)；L为试样拉伸后的长度(mm)。
1.3、试样的杨氏拉伸模量采用如下公式三进行计算：
Figure BDA0004137698780000121
式中，E为试样的杨氏拉伸模量(MPa)；ε为试样弹性区的某一应变量；σ为试样的弹性区应变为ε时所对应的拉伸强度(MPa)。
2、电导率测试
截取5cm长的纤维在两端涂覆银胶并连接铜胶带，每个含量至少5个试样被测试，并求取其平均值，试样的体积电导率采用如下公式四进行计算：
Figure BDA0004137698780000122
式中，σ为试样的体积电导率(S/cm-1)；R为试样的体积电阻(Ω/cm)；L为两电极间样条的长度(cm)；S为试样的横截面积(cm2)。
3、耐摩擦测试
参照国标GB/T21196进行测试。
4、耐水性测试
参照文献(Dca B,Xue B,Jpa B,et al.In situ hydrothermal growth of CuNPs on knitted fabrics through polydopamine templates for heating and sensing[J].Chemical Engineering Journal,382.)进行测试。
测试结果如下：
图3示出了MXene(Ti3C2Tx)混合导电材料与软联锁插TPU的多巴胺：聚苯乙烯磺酸之间的合成机理和化学结构示意图，从图3可以看出：
一方面多巴胺1：聚苯乙烯磺酸2中的胺基、酚羟基等通过氢键3、4相互作用等与MXene(Ti3C2Tx)5的亲水基团进行插层锁联，抑制了MXene或其衍生物的氧化分解，保持其导电能力；另一方面MXene(Ti3C2Tx)通过金属螯合6、共价反应、氢键相互作用7等与TPU 8、CNTs-AM 9、纳米银颗粒10构筑稳固的导电网状结构。
经测试，柔性MXene高分子复合纤维的拉伸强度为536.14MPa，应变为986.08％，电导率为1792S/cm。
通过本申请制备方法制备得到的MXene高分子复合纤维的耐摩擦和耐水洗的测试结果如下表1和表2所示，柔性织物基应变传感器经过650次摩擦之后，电导率在1762-1792S/cm之内；超声水洗240次之后，电导率仅为1765-1792S/cm之内。
表1、耐摩擦性能测试结果
耐摩擦次数/次 电导率/S/cm
0 1792
50 1789
150 1782
250 1778
350 1772
450 1769
550 1767
650 1762
表2、耐水洗的测试结果
超声水洗/分钟 电导率/S/cm
0 1792
20 1790
40 1788
80 1782
120 1775
160 1771
200 1769
240 1765
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将TPU加入DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到TPU纺丝原液；
S2、将MXene或其衍生物以及多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸依次加入到DMF溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合溶液；
S3、将碳纳米管或其衍生物以及银粉末依次加入所述MXene混合溶液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合导电溶液；
S4、将所述MXene混合导电溶液缓慢倒入所述TPU纺丝原液中，使用恒温磁力搅拌器搅拌后，得到MXene混合纺丝溶液；
S5、将所述MXene混合纺丝溶液注入注射器中，在常温下进行湿法纺丝，使用注射泵将所述MXene混合纺丝溶液挤出至DMF水性凝固浴中，将经凝固浴凝固成型的初生纤维进行三倍的机械牵伸后，再进行热定型处理，最后将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥，得到柔性MXene高分子复合纤维。
2.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：
所述TPU的含量为0.5-10.5g/L；
所述DMF的质量体积浓度为40-300mg/mL；
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为150-650rpm，搅拌时间为3-12h。
3.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中：
所述MXene或其衍生物的浓度为15-75mol/L；
所述多巴胺或其衍生物：聚苯乙烯磺酸的浓度为0.2-10.2mol/L；
所述DMF的质量体积浓度为10-30mg/mL；
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为250-850rpm，搅拌时间为15-55min。
4.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中：
所述多巴胺或其衍生物包括盐酸多巴胺、类聚多巴胺、N-3,4-二羟基苯乙基丙烯酰胺中的一种。
5.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中：
所述MXene或其衍生物包括碳化钛、碳化二钛、碳化二铌、碳化二钒、氮碳化二钛、氮化二钛中的一种。
6.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中：
所述碳纳米管或其衍生物的浓度为0.5-12.5mol/L，所述银粉末的浓度为2.5-6.5mol/L；
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为100-700rpm，搅拌时间为4-12h。
7.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中：
所述碳纳米管或其衍生物包括氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管、CNTs-AM中的一种。
8.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中：
所述恒温磁力搅拌器的恒温温度为40-60℃，搅拌速度为150-650rpm，搅拌时间为4-8h。
9.根据权利要求1所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中：
所述注射器的体积容量为5-40mL，针头内径为0.2-0.8mm；
所述湿法纺丝的纺丝速率为0.5-10.5mL/h；
所述凝固浴的长度为90cm；
所述热定型处理的温度为60℃；
所述将热定型处理后的纤维缠绕到匀速旋转的热辊上进行收集和干燥中的干燥温度为25-45℃、干燥时间为4-8h。
10.一种柔性MXene高分子复合纤维，所述柔性MXene高分子复合纤维由权利要求1至9任一所述的柔性MXene高分子复合纤维的制备方法制备得到。
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