MXene材料在纺织与服装中的应用及其发展前景

李丹，关福旺，杨竹丽

（泉州师范学院，福建 泉州362000）

近年来，过渡金属碳氮材料（MXene）在二维材料中脱颖而出。MXene 不仅具有类似金属的超高电导率还具有优秀的机械性能，其亲水表面和高度可调的表面基团使它更易与其他材料形成复合材料，研究者们不断尝试探索MXene 材料的更多性能。已有文献大多是对二维材料Mxene 的结构等方面的总结或对其在新能源、光学、化学、物理学等领域应用的探索，关于Mxene 材料应用在服装材料上的研究极少。通过查阅有关文献资料和网络调查，分析了Mxene 材料研究现状，并分析Mxene 可能适用于服装材料的几种特性，探讨其应用于服装材料的机遇和挑战。

1 MXene 材料简介

Mxene 是指一种过渡金属碳化物、氮化物以及碳氮化物一族[1]，于2011 年被发现，作为一种新型二维(2D)纳米材料，化学通式为Mn+1XnTX，其中(n=1-3)，M 代表早期过渡金属（如如Sc、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Mo 等），X 代表C 或N 元素，Tx 表示MXene由化学刻蚀前驱体MAX 相而产生的附着在其表面的官能团（如-OH、-O、-F 等），分别产生M2X、M3X2和M4X3形式的MXene[2]。目前研究最多的一类MXene 就是Ti3C2Tx，具有较大的比表面积和过渡金属碳化物良好的金属导电性、较大的电容[3]，且电学、力学及稳定性等性能可通过过渡金属、氮原子或者碳原子以及表面官能团的种类和数量比例等因素调控,在超级电容器、电池、电磁干扰屏蔽和复合材料等中得到越来越广泛的应用[3]。图1 为MAX 相的结构和相应的MXene。

图1 MAX相的结构和相应的MXene[2]Fig.1 Structure ofMAXphase and corresponding MXene[2]

2 MXene 新型材料研究现状

目前，Mxene 在储能、电磁屏蔽、复合材料等多个领域的应用研究非常热门。但在研究调查后发现，该材料在服装领域的运用前景也较好。

国外对于MXene 材料制备的研究比较多。Yury Gogotsi 等[4]将MXene 基纤维、纱线和织物用于可穿戴储能装置，织物设备得益于新导电材料的发现和织物设备设计的创新。这些设备包括基于织物的超级电容器（TSCs），它们在为可穿戴设备供电方面具有实际价值。Mashtalir 等[5]研究了Ti3C2Tx 吸附染料分子的性能。Ti3C2Tx 的表面显电负性，因此具有选择性吸附染料分子的特性。此外他还发现Ti3C2Tx 可在紫外光下表现出与二氧化钛相似的光催化性质。Rasool 等[6]首先发现Ti3C2Tx 胶体溶液的抗菌效果优于石墨烯。Shahzad 等[7]证实45 μm 厚的Ti3C2Tx 薄膜电磁屏蔽效应可达到92 dB，是迄今所制造的屏蔽性能表现最佳的合成材料。

这些实验结果表明MXene 种类众多、性能各异，目前已经在多领域展开了应用实验。随着材料领域技术的不断进步，MXene 在制备、结构、性能和应用方面取得了长足的发展，拥有巨大的应用前景。

3 MXene 性能及在服装上的运用探索

澳大利亚迪肯大学Genevieve Dion、美国德雷克塞尔大学Yury Gogotsi 和Joselito M.Razal 报道了用于生产MXene 基纤维、纱线和织物的技术以及设备设计和性能指标方面的进展，并讨论了在纤维、纱线、织物结构中引入这种新材料所面临的挑战，这将有助于纺织设备在储能应用之外的发展[4]。如图2，通过为纤维增添技术功能，编织到纺织品中，不会损害其耐磨性，反而使织物拥有MXene 材料的多种性能，为MXene 材料应用于服装织物中提供了可能。综上，MXene 具有多功能性并能够与聚合物结合，让其在纺织领域的应用越来越多，促使服装朝着智能化发展。

图2 MXene 织入其他材料中[4]Fig.2 MXene woven into other materials[4]

3.1 柔性力敏材料及应用

科学技术和智能产业的飞速发展使微型及可穿戴产品得到大规模推广，也让具有移动传感和反馈功能的设备及相关服务迅猛发展。然而在实际应用中，传统传感器难以承受较大的变形和压力，新型柔性传感器弥补了这一缺陷，在复杂的人体交互中可以承受较大的变形和压力，具有良好的应用前景。因此，开发具备柔性、电化学活性和机电活性、可被织成全织物的纱线，为大规模生产提供设备成为研究者的重要任务。

目前，MXene 柔性力敏材料主要应用于可穿戴电子设备，作用于对生理信号以及细微人体动作的监测。对人体的心脏和脉搏等复杂信号的细微动作监测，需要力敏材料有着极小的探测限、高灵敏性以及较短的响应时间[8,9]。关节的弯曲运动会产生拉伸作用，应变较大，拉伸应变传感器需要MXene 基柔性力敏材料有着较高的工作应变；信号示踪主要是基于压力传感器实现的。Zhao 等[10]开发出一种智能织物，通过浸渍工序将Ti3C2Tx 纳米片沉积在纤维素纤维的非织造布上，构建了一种基于MXene 的多功能织物，它可以进行呼吸检测，也可以作为低压热疗平台，这种面料在医疗领域纺织品与服装有很大的发展空间。

3.2 电磁屏蔽与吸波及应用

随着科学技术的进步，通信设备、微波产品、家用电器、电子产品等电磁辐射源广泛地出现在人们的日常生活当中,电磁辐射所产生的危害也逐渐被人们重视。目前电磁屏蔽材料在服装中的运用主要是金属纤维和银纤维，但存在金属纤维面料易于洗涤但缺乏柔软性和易造成皮肤过敏，银纤维易氧化等痛点。为此有研究者开始采用碳材料比如碳纳米管（CNT）、石墨烯[11,12]等电磁屏蔽材料的制备，但这些材料都表现出成本高、工艺瑕疵等特点。目前，基于MXene 制成的分层膜、泡沫、气凝胶等材料已经表现出优异的电磁屏蔽性能[13-15]。

韩国科学技术院Chong Min Koo、德雷塞尔大学Yury Gogotsi等报道了二维过渡金属碳化物材料Ti3CNTx MXene 具有合适的导电性，并且展现出高于相同厚度的Ti3CTx 或金属薄膜材料的屏蔽能力。实验表明，这个电磁屏蔽的过程可使电磁波不对环境造成污染，符合绿色可持续发展理念。因此，探索MXene 的该性能在未来服装中的应用发展前景极大。

3.3 抗菌性能及应用

MXene 的抗菌性能优于石墨烯，具有大的表面积、优异的抗菌性能、更强的载药能力。将MXene 与其他抗菌材料复合，可增强该材料的抗菌性能。由于MXene 超强的抗菌性能，很多研究者将MXene 与其他材料进行复合制备抗菌纤维，或以其为抗菌剂对纺织品进行抗菌整理。

在抗菌整理织物方面，MXene 材料已经与棉织物、纤维素纤维非织造布、真丝等面料进行结合，并结合其他材料达到更好的抗菌效果。赵兵等[16]发明了一种MXene 和AgNPs 协同的抗菌棉织物专利，将AgNPs 负载在MXene 纳米片表面，形成MXene-AgNPs 的抗菌复合材料，提高了抗菌复合材料的结合牢度和持久性，证明了MXene 优异的抗菌性能。采用MXene 结合的复合材料可用于制作具有抗菌性能的服装。此外，在生物医学领域，MXene 材料常与其他抗菌材料复合制备成抗菌纤维或抗菌敷料，用于受伤部位，防止细菌感染。

3.4 疏水性能及应用

MXene 具有超疏水表面独特的润湿性质，具有自清洁、防污等功能，集成疏水性使之在智能服装领域具有广阔的应用前景。研究者Wang 等[17]在棉织物上构建了MXene/Ni 链/ZnO 阵列杂化纳米结构，发现该织物具有优异的微波吸收性能和疏水性能。通过这种方式，使MXene 与织物结合牢固，创造出的新织物即使在恶劣条件下也能保持良好的疏水性能。

4 发展前景分析

虽然关于MXene 的研究仍处于起步阶段，但作为一种种类众多、性能各异的二维层状材料，MXene 在复合材料、润滑剂、环境污染治理、能量储存、催化、传感器、抗菌、电磁屏蔽等方面的材料学研究中取得的效果已经较为突出。

笔者将MXene 材料在服装中的应用前景总结如下：(1)MXene引入超疏水表面制成材料具有优异的电磁屏蔽性能且不易氧化，可用于开发特殊职业人群的防辐射服，以弥补目前市面上防辐射面料存在的缺陷。（2）MXene 材料可用于开发灵敏度较高的柔性力敏材料，应用于智能服装领域，来参与生理信号、细微人体动作、关节运动信号的监测和信号示踪。（3）基于MXene 优异的抗菌性能和较强的载药能力，与MXene 结合的抗菌复合材料可用于制作具有抗菌性能的服装。（4）MXene 制成的织物具有优异的微波吸收性能和疏水性能，并且在恶劣条件下使用依旧能保持良好的疏水性能，可作为MXene 应用到服装上的一个研究方向。

5 结语

MXene 问世的短短时间里，在制备、结构、性能和应用方面取得了长足的发展。但是，研究者仍需要不断探索这种二维材料，以期在织物结构中引入这种新材料，充分发挥MXene 与基体材料间的优异性能，这将有助于纺织设备在储能应用之外的发展。使MXene材料逐渐在服装领域发展起来，为服装行业带来更多的可能性。