Page 91 - 《精细化工》2022年第1期
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第 1 期               郑贤宏，等:  高弹性 MXene/TPU 纳米纤维纱线的制备及其应变传感性能                               ·81·


            系统的关键。                                             网络，来制备 MXene 改性的纳米纤维纱线，测试其
                 理想的应变传感器应具有较高的灵敏度和较宽                          应变传感性能，并探究其智能可穿戴应用。本研究
            的应变区间。因此，基于弹性基底的应变传感器成                             旨在为高性能柔性应变传感器的制备提供一种新方
            为当前的研究热点。目前，多种导电材料已被应用                             法和思路。
                                                [4]
            于弹性应变传感器，例如，银纳米材料 、碳纳米
                                          [7]
                             [6]
              [5]
            管 、导电高分子 等。YOU 等 通过干法纺丝的                           1   实验部分
            方法制备了石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合
                                                               1.1   试剂与仪器
            纤维，该纤维的灵敏度可达 65（应变区间 0~6%），                            氟化锂（质量分数 99.99%），上海阿拉丁生化
                                            [8]
            并具有较好的循环稳定性。ZHU 等 通过毛细管法
                                                               科技股份有限公司；无水乙醇、浓盐酸（质量分数
            将银纳米线嵌在聚氨酯纤维表面，制备了毫米级银
                                                               36%~38%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃
            纳米线/聚氨酯弹性纤维，该纤维的灵敏度为 87.6（应                        （THF），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；
            变区间 0~22%），并且具有较快的响应速度。LI 等                  [9]
                                                               TPU，工业级，巴斯夫化工（上海）有限公司；Ti 3 AlC 2
            通过涂层的方法制备了皮芯型银纳米颗粒/石墨烯
                                                               (MAX)，化学纯，吉林一一科技有限公司。
            改性聚氨酯纱线，该纱线作为柔性应变传感器具有
                                                                   S-4800 型场发射扫描电子显微镜，日本日立公
            较宽的工作区间（拉伸应变 50%），较高的灵敏度
                                                               司；D8 型 X 射线衍射仪，德国布鲁克公司；JEM-
            （500）和线性度（相关系数 0.98）。此外，该纱线
                                                               2100F 透射电子显微镜，日本 JEOL 公司；VC890C+
            还可以用于监测手指的运动以及走路过程，在智能
                                                               数字万用表，深圳市驿生胜利科技有限公司；
            可穿戴传感器领域具有一定的应用前景。过渡金属
                                                               DW-N152D68 高压直流电源，东文高压电源（天津）
            碳化物/氮化物（MXene）作为一类新兴的二维纳米
                                                               股份有限公司；DF-1 集热式磁力搅拌器，上海力辰
            材料，具有优异的分散性、高电导率、高赝电容活
                                                               仪器科技有限公司；XQ-2 单纤维强力机，上海新纤
            性和高比表面积，在能源、环境、催化等领域引起
            广泛关注     [10] 。然而，将 MXene 用于纱线应变传感器                仪器有限公司；静电纺丝设备及纳米纤维纱线加捻
                                                               器，实验室自制。
            的研究相对较少，并且制备的纱线应变传感器的性
                                                               1.2    方法
            能相对较差，灵敏度仅为 17，应变检测区间也仅有
            50% [11] 。因此，制备高灵敏度和宽检测区间的 MXene                   1.2.1  MXene 的合成
                                                                   MXene 采用原位氢氟酸选择性刻蚀法进行制
            基应变传感器始终存在挑战。TPU 作为一种典型的
                                                               备 [15] ，具体制备步骤如下：将 2 g 氟化锂加入到
            热塑性聚氨酯弹性体橡胶，具有较好的弹性，其拉
                                                               40 mL 9 mol/L 盐酸溶液中，磁力搅拌 30 min 后，将
            伸应变可高达 700%。然而，纯的 TPU 纤维表面光
            滑，与其他活性材料具有较低的结合牢度。为了解                             2 g MAX 加入到上述溶液中。混合液于 35  ℃下搅
                                                               拌 24 h，然后将反应液倒入 4 根离心管中，3.5×
            决上述问题，研究人员提出了多种策略用于提升
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            TPU 纤维表面活性材料负载量及结合牢度，例如：                           10  r/min 离心 10 min，离心后倒掉上清液，向离心
                         [9]
            聚合物包裹法 、薄膜卷绕法              [12] 、静电组装法    [13] 、   管中加入 40 mL 去离子水，充分摇匀后，在 3.5×
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            层层自组装法       [14] 等。上述方法虽然在一定程度上可                  10  r/min 下反复离心，直至 pH 达 5~6。向上述离心
            以提升 TPU 纤维表面活性材料负载量及其传感性                           获得的沉淀中加入 40 mL 无水乙醇，在 750 W 下超
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            能，但是工艺过程复杂，且其传感性能也有待进一                             声 1 h，并在 1.0×10  r/min 下离心 10 min，收集下
            步提升。静电纺丝技术作为一种典型的纳米纤维的                             层沉淀；向沉淀中加入去离子水，在 750 W 下超声
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            制备方法，已被广泛应用于各种纳米纤维纱线的制                             20 min 后，3.5×10  r/min 离心 3 min，收集上层溶液。
            备。利用静电纺丝法制备 TPU 纳米纤维，纳米纤维                          重复上述过程，收集 400 mL  MXene 分散液（3~4
            较高的比表面积及其集合体的芯吸效应可以实现活                             g/L）。收集的分散液通过高速离心进一步浓缩，在
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            性材料的高效吸附。受碳纳米管纺丝的启发，采用                             1.0×10  r/min 下离心 10 min，取下层溶液（称重法
            “Biscrolling”的方法将 MXene 均匀负载到 TPU 纳                测定质量浓度为 10 g/L）留作喷涂使用。
            米纤维中，可以在纱线内部及表面建立导电网络，                             1.2.2   静电纺 TPU 纳米纤维
            可实现纱线的高导电性和高效应变-电阻响应。然                                 TPU 首先在 80  ℃下真空干燥 24 h，以去除其
            而，结合静电纺丝和“Biscrolling”制备高应变传感                      中水分。将 4.4 g TPU 通过磁力搅拌溶于 15.6 g
            性能的 MXene/TPU 纳米纤维纱线鲜见报道。                          DMF/THF 混合溶剂〔V(DMF)∶V(THF)=1∶3〕中，
                 本研究拟采用静电纺丝技术并结合喷涂方法，                          配制成质量分数为 22% TPU 溶液。上述制备的 TPU
            在 TPU 纳米纤维纱线表面及内部建立 MXene 导电                       溶液经过超声脱泡，作为静电纺丝溶液。静电纺丝
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