《Journal of Alloys and Compounds》：Structural reconfiguration of chitosan@MXene/graphene oxide fibers for high-performance electromagnetic shielding
编辑推荐：
针对MXene基纤维可纺性差、层堆积无序及界面作用弱的问题，本研究提出协同材料-结构策略，通过石墨烯氧化物（GO）增强MXene分散与界面相容性，并利用壳聚糖（CS）外层实现机械约束与抗氧化保护。创新性地设计CS@MXene/GO复合纤维，结合浸渍干燥后处理工艺，利用CS吸湿膨胀的“海绵效应”促进MXene/GO层滑移与重排，并通过干燥收缩实现层致密化，最终制备出导电网络连续、机械性能优异的纤维，电导率提升至1.55×10? S/m，电磁屏蔽效能达45 dB，且经过两次循环仍保持稳定。摘要
李丹丹|赵杰鹏|黄赛|李子健|蔡卓|童照民|肖连团|贾索堂|陈旭媛|马一飞|王梅
中国山西省太原市，山西大学激光光谱研究所量子光学技术与器件国家重点实验室，极端光学协同创新中心，邮编030006
摘要
基于导电MXene的纤维在柔性可穿戴电磁干扰（EMI）屏蔽领域具有巨大潜力，但其较差的可纺性、无序的层堆叠以及较弱的界面相互作用严重限制了其性能。为克服这些挑战，我们采用了一种材料-结构协同策略，制备了以壳聚糖（CS）为外层的同轴壳聚糖@MXene/氧化石墨烯（GO）复合纤维。引入GO显著改善了MXene的分散性和界面相容性，从而解决了其固有的可纺性问题。外层CS不仅起到机械支撑作用，还形成了抗氧化保护层，有效抑制了MXene在水性和含氧环境中的降解。此外，我们提出了一种简单的后处理浸渍-干燥工艺：浸渍过程诱导MXene和GO层之间的滑动和重排，随后的干燥和收缩过程进一步压缩了这些层，从而“锁定”了紧密有序的导电结构，制备出了CS@Mx-G-1纤维。通过这种策略，纤维的导电性从6.56×10^3 S/m提高到了1.55×10^4 S/m，电磁干扰屏蔽效果从30 dB提升到了45 dB。这些纤维在经过两次浸渍循环后仍保持稳定的导电性和柔韧性。这种方法为构建高性能柔性EMI屏蔽纤维提供了一种新策略。
引言
随着5G通信技术的快速发展，电磁辐射对电子设备的稳定运行和人类健康构成了潜在威胁，因此对轻质、柔性且可穿戴的电磁屏蔽材料的需求日益迫切[1]。为应对日益严重的电磁污染问题，高性能EMI屏蔽材料的研究成为热点[2]。虽然传统的金属基材料具有出色的EMI屏蔽性能，但其易腐蚀性、高密度和较差的柔韧性严重限制了其在柔性可穿戴电子产品中的应用[3]。为克服这些挑战，研究人员转向了新型的碳基导电材料，如碳纳米管（CNTs）[4]、石墨烯[5]和过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）[6]。这些材料结合了高导电性、结构设计灵活性和优异的柔韧性，使其成为构建轻质、高效电磁屏蔽纤维的理想候选材料[7]。其中，MXene因其出色的导电性、可调的表面化学性质和优异的机械柔韧性而成为柔性电子和电磁防护领域的研究焦点[8][9]。在高导电性MXene应用于电磁防护纺织品中，为实现柔性、轻质和可穿戴的电磁屏蔽提供了一种新型材料体系[10][11]。这类基于MXene的纺织品不仅具有重量轻、柔软和变形适应性等优点，还在民用智能防护、军事隐身和高端电子设备中展现出广泛的应用前景[12][13]。
然而，MXene层之间的弱界面力和无序堆叠限制了其在纤维形成过程中的可纺性，导致复合纤维的机械强度和延展性不足，这成为进一步应用的关键瓶颈[14]。先前的研究表明，在基于MXene的纤维制备过程中实现有序的层排列对于提升机械和电性能至关重要。例如，张等人通过调控MXene片材的液晶自组装行为，在不添加任何添加剂的情况下实现了MXene层的有序排列，制备出了高导电性的纯MXene纤维（约7750 S cm^-1）[15]。王等人在湿法纺丝过程中加入Zn^2+离子，调控了Ti3C2Tx MXene液晶纤维的层排列和层间相互作用，制备出了兼具高机械强度（约151 MPa）和导电性（约3638 S cm^-1）的MXene纤维[16]。这些纤维已成功应用于高灵敏度的可穿戴声学传感器和热管理设备中。此外，研究人员还通过加入聚乙烯醇（PVA）、聚氨酯（PU）和芳纶纳米纤维（ANF）等聚合物来增强层间交联[17][18][19]。例如，Usman等人利用纤维素纳米晶体（CNC）在稀释的MXene分散液中诱导液晶相，显著降低了液晶化阈值并促进了层片的有序排列[20]。这种方法制备出的MXene纤维具有较高的抗拉强度（约60 MPa）。然而，基于液晶相调控和流变行为优化的这些策略仍存在局限性：一方面，纯MXene纤维在提高导电性的同时往往会牺牲柔韧性；另一方面，虽然聚合物可以增强MXene纺丝溶液的稳定性，但其绝缘性质会降低纤维的导电性。为解决这些问题，研究人员通过干燥方法和纺丝技术来调节结构。李等人使用超临界二氧化碳（CO2）干燥技术制备了多孔MXene纤维，实现了高取向层和介孔结构的协同效应[21]。这种方法获得了超高的导电性（约10^4 S m^-1）、极低的密度（约0.035 g cm^-3）以及优异的电热/光热响应性能，为柔性可穿戴设备和智能纺织品提供了新的设计思路。周等人结合戊二醛（GA）交联、拉伸和热拉伸工艺，制备出了超密度的MXene-GA-PVA（MGP）复合纤维，显著提高了其机械强度[22]。与仅依赖材料改性的方法相比，这种处理在一定程度上实现了柔韧性和导电性的平衡。然而，气凝胶纤维存在固有的脆性和孔隙分布不均匀的问题，而热拉伸过程中产生的剪切应力可能导致MXene层滑动或错位，从而影响纤维的整体机械性能。因此，有必要从材料设计和结构调控的角度进一步优化MXene层的有序排列，以制备出具有抗氧化性能的可穿戴、高弹性的MXene EMI屏蔽纺织品[23]。
为解决现有基于MXene的纤维在结构致密化和机械-电性能协同性方面的局限性，我们通过材料设计和工艺优化，制备了封装有壳聚糖（CS）的同轴MXene/氧化石墨烯（GO）纤维。这项工作通过两项关键技术创新解决了这些问题：（1）材料-结构协同的纤维设计：将GO引入MXene核心，以调控纺丝性能并优化层状网络内的界面相容性；CS作为外层约束和抗氧化壳层。（2）简化的浸渍-干燥后处理：具有可逆膨胀行为的CS机械约束层在润湿阶段吸收水分，促进MXene/GO层之间的渗透和重排；在干燥收缩过程中，毛细作用进一步压缩了有序的MXene/GO层。（3）这种协同机制——溶剂诱导的层片重排与壳层约束的结合——实现了高密度和连续的导电网络，使得织物具有出色的电磁干扰（EMI）屏蔽性能。值得注意的是，这种浸渍-干燥策略显著提高了纤维的微观结构有序性和导电网络的连续性，同时并未增加工艺复杂性，为构建高性能柔性EMI屏蔽纤维提供了一种高效且通用的结构控制方法。
材料
氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）购自McLean公司。Ti3AlC2粉末（325目）购自Forsman Technology有限公司。氧化石墨烯（GO）水悬浮液（15 mg/mL）购自中国科学院山西煤炭化学研究所。氢氧化钠（NaOH）和壳聚糖（CS）购自Aladdin Reagent有限公司。所有化学试剂均为分析级，未进行进一步纯化。
MXene分散液的制备
Ti3C2Tx MXene是通过选择性...
CS@Mx-G壳核结构及浸渍-干燥后处理
图1展示了使用同轴湿法纺丝方法制备Ti3C2Tx MXene基核壳纤维的过程。通过HCl/LiF蚀刻剂选择性地去除Ti3AlC2 MAX中的Al层，然后通过超声剥离获得少层MXene。X射线衍射（XRD）图谱和扫描电子显微镜（SEM）图像证实了Ti3AlC2 MAX成功剥离为单层的Ti3C2Tx MXene（见图S1a–c）[25]。30 mg/mL...
结论
本研究提出了一种材料-结构协同设计策略，利用壳聚糖（CS）的吸水膨胀“海绵效应”实现MXene基纤维层的可控重排和致密化，从而同时提升机械性能和电导性能。这种方法为构建高性能柔性EMI屏蔽纤维提供了一种高效、多功能且低成本的途径。
CRediT作者贡献声明
马一飞：指导。
王梅：撰写 – 审稿与编辑，指导，资源提供。
李丹丹：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写。
童照民：指导。
肖连团：指导。
贾索堂：指导。
陈旭媛：指导。
赵杰鹏：指导。
黄赛：指导。
李子健：指导。
蔡卓：指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFA1404001）、国家自然科学基金（项目编号：21805174和51902190）、山西省基础研究计划（项目编号：202303021221065和202403021211066）、山西省奖学金委员会（项目编号：2021–004和2022–013）、111计划（项目编号：D18001）以及长江学者和创新研究团队的支持。
