Ag NWs/MXene 改性双包覆纱的制备及光热性能研究

包肖婧，刘旭华，范 强，苗锦雷，曲丽君

(1.青岛市纤维纺织品检验研究院，山东青岛， 266071；2.青岛大学纺织服装学院，山东青岛， 266071)

0 研究背景

为了应对资源短缺、环境恶化等问题，人们对绿色清洁能源进行开发利用，比如，太阳能热水器、新能源汽车等。 然而，如太阳能热水器的工作原理依赖于复合板芯或全紫铜板芯，虽然具有高效的光热转换性能，然而随着人们生活方式的更迭，对光热转化材料提出了新要求，比如柔性、舒适性、便携性等。 传统的刚性金属材料的刚性较大地限制了其应用范围[1－5]。 随着深入研究，人们发现种类丰富，能量转化效率高的柔性光热转化材料在实际研发应用中具有更加广阔的发展空间。 不仅在海水淡化、脱盐以及蒸汽发电等方面有较大的应用前景，还对具有柔性要求的光加热、光热理疗及人体热管理等柔性可穿戴设备领域有着更广阔的应用前景，对柔性光热器件的研究应用具有较大的潜在价值[6－8]。

光热转换材料是一类能将光能转化为热能的极具发展前景的材料，常见的光热转换材料主要包括碳基材料、导电聚合物材料以及金属类材料等[9－12]。 为了实现光热转变材料的柔性，拓展其应用范围，常引入柔性材料作为基材[13－15]。 其中，由于纺织材料固有的服用舒适性、较好的机械性能等被广泛应用。 比如，谢等人利用粘胶织物结合还原氧化石墨烯(rGO)较高的光热转化性能制备出具有单向导湿功能的防水印花粘胶织物。 不仅具有很好的光热转化效果，还为界面蒸发系统的设计提供了新思路[16]。

二维片层状碳化物氮化物MXene 作为一种新型的光热转换功能材料，其光热效应主要是源自于MXene 的等离子体共振效应，可对近红外光较强的吸收和较高的光热转化性能，使其在太阳光的作用下可实现温度的快速升高[17－19]。 比如，Liu 等人利用非织物结合金属纳米材料银纳米线(Ag NWs)与MXene 两种导电材料的光热转化效果，可以在0.2W/cm3能量密度下，30s 后织物的表面温度可达到112℃[20]。 此外，由于MXene 纳米片具有较高的比表面积，使其更容易附着在基体材料上，从而使柔性光热器件表现出更加优异的光热转化性能。

本文通过浸没涂覆法，将一维银纳米线(Ag NWs)和二维层状导电材料MXene 均匀附着在稳定性较高、柔弹性好等力学性能优势被广泛应用在柔性可穿戴智能系统中的棉—氨纶商用双包覆纱上，并利用SEM、TEM 以及EDS 对其微观的表面结构进行了表征分析。 同时，为进一步明确Ag NWs/MXene 改性双包覆纱的光热效果，利用红外热像仪FTIR 对改性双包覆纱的光热性能进行了测试和分析，实验结果表明改性包覆纱具有极佳的光热转化性能，未来在光热理疗、人体热管理等可穿戴光热器件领域具有广阔的应用前景。

1 实验部分

1.1 实验材料

Ti3AlC2购于北京北科新材科技有限公司。 盐酸(HCl)、氟化锂(LiF)、乙二醇(EG)、氯化钠(NaCl)、乙醇购自国药化学试剂有限公司。 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、硝酸银(AgNO3)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。 这些化学品处于分析级。

1.2 银纳米线的制备过程

首先，将PVP(3.53g)和氯化钠(11.3mg)置于三颈烧瓶中，向其中加入60mL EG 混合，随后在120℃油浴锅中静置30min 后，在均匀且剧烈的搅拌中缓缓地向烧瓶中加入AgNO3/EG(0.01M、90mL)溶液，混合均匀。 再将溶液分别转移到6 个160℃的高压反应釜中保存7h，完成AgNWs 的生长。 冷却至室温后打开高压釜，利用离心机，将Ag NWs用丙酮和乙醇混合有机溶剂以6500rpm 的离心速度反复清洗除杂。 然后，将所得的Ag NWs在乙醇中均匀分散。

1.3 MXene 的制备过程

利用HCl 和LiF 刻蚀Ti3AlC2制备MXene。 首先，将3g LiF 加入到60mL 9M 盐酸中搅拌均匀，然后将3g Ti3AlC2粉末缓慢加入到上述混合溶液中，利用搅拌桨将其在40℃下搅拌24 h。 随后利用去离子水(DI)离心洗涤至pH≥6，将得到的Ti3C2Tx在真空中干燥后重新在DI 中分散成2mg/mL 的溶液。

1.4 AgNWs/MXene 改性双包覆纱的制备过程

如图1 制备流程图所示，实验采用浸涂法，在室温下，将商用棉—氨纶双包覆纱浸没在浓度为2 mg/mL Ag NWs 溶液中5min 后取出，置于烘箱中干燥。 实物图如图2(a)所示。 随后浸没在2mg/mL MXene 溶液中5min 后取出，重复上述烘干过程，得到AgNWs/MXene 改性双包覆纱。 实物图如图2(b)所示。

图1 Ag NWs/MXene 改性包覆纱的制备过程

图2 (a)浸涂Ag NWs 包覆纱实物图(2cm)；(b)浸涂AgNW 和MXene 包覆纱实物图(2cm)

2 测试结果与分析

2.1 微观结构表征

利用扫描电子显微镜(SEM)以及投射电子显微镜(TEM)分别制备的两种导电材料的微观结构进行了表征。

如图3(a)所示，采用溶剂热合成法制备的银纳米线结构均匀，杂质少，制备效果良好。 应用于棉—氨纶双包覆纱上，对其光热响应性能大有助益。 如图3(b)所示，采用刻蚀Al 层得到的MXene片层效果较好，为浸没涂覆法制备改性双包覆纱的光热效果奠定良好的基础。

图3 (a)Ag NWs 扫描电子显微镜图(SEM)；(b)MXene 透射电子显微镜图(TEM)

棉—氨纶双包覆纱浸没涂覆AgNWs 和MXene两种导电材料后，不同放大倍数下，其SEM 如图4(a)－图4(b)所示。 可以看出，双包覆纱经过浸没涂覆导电材料后，由于棉纤维的芯吸作用，纱线从整体上被两种导电材料均匀的包裹，这为良好的光热响应提供了必要条件。 其次，从微观结构上，Ag-NWs 和MXene 在纤维上相互交织，形成了均匀的包裹双包覆纱的密集网络，这也进一步为纱线稳定的光热转化性能提供了保障。

图4 (a)双包覆纱浸涂Ag NWs 和MXene 后SEM 图像；(b)纤维表面AgNWs 和MXene(a)SEM 放大图

2.2 微观结构分析

为了证明双包覆纱的光热转化性能得益于两种高性能的光热转化材料，实验采用X 射线能谱元素像分析技术(EDS)对双包覆纱纤维进行了元素分析，如图5 所示。 由测试谱图可以明确，纤维上均匀附着AgNWs 以及MXene 两种光热转换材料，排除其他成分及因素对本实验样品光热性能的干扰。

图5 双包覆纱浸没AgNWs 和MXene 后X 射线能谱元素像分析(EDS)

2.3 光热性能分析

在相同辐照时间下，不同的双包覆纱样品在不同能量密度下通过红外热像仪(FLIR Systems Inc)测得表面温度如表1 所示。

表1 不同双包覆纱样品的光热性能对比

通过数据对比可以观察到100 mW/cm3～300 mW/cm3光能量密度下Ag NWs/MXene 改性包覆纱达到的表面温度分别为43℃、52℃、58℃、70℃、84℃。 可以发现，不同能量密度下，浸涂Ag NWs和MXene 样品的表面温度均是三组中最高的。 尤其是在300 mW/cm3能量密度下，三个样品的表面温度分别为42℃、68℃以及84℃。

因此，从不同能量密度的辐照条件下对比原样以及仅浸没涂覆Ag NWs 的双包覆纱样品的表面温度可以看出，Ag NWs 与MXene 两种光热转变功能材料共同作用时光热响应更为突出。

实验通过FLIR 记录实验数据，进一步明确Ag NWs以及MXene 改性的双包覆纱在不同能量密度下良好的光热转化性能以及光热响应。

如下页图6 的温度—时间变化曲线所示，在100 mW/cm3～300 mW/cm3能量密度下，该双包覆纱的温度随辐照时间逐渐上升，并且随着能量密度的增大，双包覆纱表面温度也呈现阶梯式跃迁。 这也进一步证明了双包覆纱稳定可靠的光热转化性能与Ag NWs 和MXene 两种性能优异的光热转化功能材料以及电镜中观察到均匀密集网络结构的作用密不可分。

下页图7 显示了100 mW/cm3～300 mW/cm3光能量密度下的Ag NWs/MXene 改性双包覆纱达到最高温度时通过红外热像仪显示红外热像图。

图7 不同能量密度下Ag NWs/MXene 改性双包覆纱的红外热像图

结合表1 和图6 的实验数据可以看出，随着氙灯光源系统模拟的太阳光强度逐渐增大，改性双包覆纱柔性光热材料的光热转化效果十分显著，并呈现出均匀稳定的光热转化性能。

图6 不同能量密度下Ag NWs/MXene 改性双包覆纱温度—时间变化曲线

为了进一步明确改性双包覆纱的光热转化效果，如图8 所示，在能量密度不断增大的辐照环境下，加热速率也在不断提升。 在300 mW/cm3能量密度下，改性双包覆纱的稳态温度可达84℃，其加热速率能够达到0.7 ℃/s。 该组实验数据也能表明，经过Ag NWs 和MXene 浸涂后的双包覆纱具有较为突出的光热转化性能。

图8 不同能量密度下Ag NWs/MXene 改性包覆纱的稳态温度和加热速率

3 结论

通过浸没涂覆的方法，结合柔性纺织材料将Ag NWs 和MXene 两种的高性能的光热转化功能材料均匀附着在棉—氨纶双包覆纱表面，使其具有高效的光热转化功能和柔性，通过微观表征分析以及具体的光热性能测试可以清晰地观察到Ag NWs/MXene 改性双包覆纱显著的光热效果。在300 mW/cm3能量密度下，30s 辐照时间后，改性双包覆纱的表面温度高达84℃，加热速率高达0.7 ℃/s。 具备光热转化性能的柔性光热器件在相关研究领域中已取得较大的发展，无论是在海水淡化的资源循环领域还是在光加热、光热理疗、人体热管理等诸多领域都显示出强大的应用前景。未来光热性能优异的Ag NWs/MXene 改性双包覆纱在光热器件的研发应用领域也具有较大的价值。