具有协同隔热和光热转换特性的3D结构MXene/热膨胀微球复合材料

《Progress in Lipid Research》：3D-architectured MXene/thermally expandable microsphere composites with synergistic thermal insulation and photothermal conversion

基于MXene纳米片与空心热膨胀微球（TEMs）的复合结构，本研究开发了一种具有双向温控能力的智能纺织品。通过静电吸附在TEMs表面构建三维MXene网络，实现低热导率（0.031 W/m·K）与高光热转换效率（93.5%吸收，28.5%转换）的协同作用。被动模式下0.8mm涂层使皮肤温度提升4.2℃，主动模式下30秒内升温达15.8℃，同时具备优异机械性能和透气性。该材料为全天候个人热管理提供了新策略。

　　

谢文静|梁家久|常光涛|李若欣

中国苏州苏州大学纺织与服装工程学院，215123

摘要

随着全球能源消耗的增加，用于个人热管理的智能纺织品因其节能和动态温度调节功能而受到广泛关注。本研究介绍了一种全天候个人热管理纺织品，该纺织品采用了三维结构的MXene纳米片，通过被动热绝缘和主动光热转换实现了双向温度控制。通过将MXene纳米片静电吸附到中空、可热膨胀的微球（TEMs）上，并将这些MXene/TEMs复合材料作为填充物加入到棉织物上的聚氨酯涂层中，制备出了具有优异热管理性能的纺织品。实验表明，该涂层的热导率为0.031 W m^?1 K^?1，具有显著的光热性能，太阳能吸收率为93.5%，转换效率为28.5%。在被动模式下，0.8毫米厚的涂层可使皮肤温度升高4.2°C；在主动模式下，在太阳辐射下30秒内可实现15.8°C的快速升温，同时热量损失最小。除了低密度特性外，该涂层还具备优异的机械强度、柔韧性、透气性和水蒸气透过性。这种基于热导率抑制和高效光热转换协同作用的智能纺织品，为轻量化、多功能的全天候个人热管理纺织品提供了一种新的策略。

引言

全球气候变化的加剧以及人类对能源需求的增加凸显了能源过度消耗的不可持续性，这阻碍了可持续发展目标的实现[[1], [2], [3]]。为此，个人热管理（PTM）通过收集外部能量或释放未使用的红外辐射等方法，为个人提供适宜的热环境，从而避免了整个房间的能耗密集型调节[[4], [5], [6], [7]]。

低热导率材料常用于个人热管理（PTM）纺织品中，其中空气是最常见的低热导率物质。因此，引入多孔结构是提高纺织品热绝缘性能的一种有前景的策略[8,9]。例如，崔等人[10]受到北极熊毛发的独特结构的启发，利用“冷冻纺丝技术”开发了一种仿生多孔丝蛋白纤维。这种纤维制成的织物具有0.22 W m^?1 K^?1的极低热导率，有效减少了身体与环境之间的热交换，从而提供了热绝缘效果。然而，这种方法仅依靠低热导率来保暖，缺乏主动的热响应能力。

来自太阳辐射的持续能量为个人热管理（PTM）纺织品提供了丰富的能源来源[11]，这些纺织品可以通过吸收太阳能来为身体供暖[5,[12], [13], [14]]。由于具有光和热吸收能力，各种二维（2D）材料（包括金属纳米线[15]、纳米颗粒（NPs）[16]和纳米棒/管[17,18]）已被应用于PTM设备中。最近，MXenes（一类二维过渡金属碳化物或氮化物，通式为M_n+1 X_nT_x，其中M是早期过渡金属，X是碳或氮，T表示表面官能团如-OH、-F）引起了广泛的研究兴趣[19,20]。它们独特的二维结构、优异的金属导电性[21][22]、大的表面积以及低红外发射率[20,23,24]使其具有巨大潜力。值得注意的是，MXenes被报道具有近乎完美的内部热和光转换效率以及高热导率[25]，有助于快速传递热量并减少MXene填充复合材料中的热量损失。例如，王等人[26]采用溶液浸渍法将MXenes沉积到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维上。MXenes与纺织品之间的强相互作用（归因于氢键和物理粘合作用的协同效应）赋予了装饰后的纺织品优异的电学和光热转换性能。

结合低热导率和光热转换材料的个人热管理（PTM）纺织品在多模式加热方面显示出潜力[[27], [28], [29]]，如MXene/RGO气凝胶[30]、RGO气凝胶纤维[31]和MXene改性多孔纤维[32]所示。然而，加入高效的光热转换材料通常会增加整体热导率，从而影响热量的保持。本文首先通过氢氟酸原位刻蚀制备MXene单层纳米片，然后通过静电加载将这些纳米片到中空可热膨胀微球（TEMs）表面，构建了三维MXene结构，最后将MXene/TEMs复合材料涂覆到棉织物上。所得到的MXene/TEMs涂层纺织品既具有极低的热导率，又具备出色的光热转换性能。

材料

中空可热膨胀微球（聚丙烯腈，TEMs，发泡）由Crestron Technology Ltd.（中国上海）提供；氟化锂（LiF）、1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（ILs）、聚（二烯基二甲基铵氯化物）溶液（PDDA，20%）和氢氧化钠（NaOH）从Aladdin Reagent Ltd.购买；Ti₃C₂Al(MAX)从Yiyi Technology Co. Ltd.（中国吉林）购买；盐酸（HCl）来自上海McLean Biochemistry & Technology Co. Ltd.

MXene纳米片的形态和微观结构

图2a展示了MXene纳米片（Ti₃C₂T_x）的透射电子显微镜（TEM）图像，显示出具有边缘和不规则形状的单层结构。由于单层厚度极薄，这些分散良好的MXene单层几乎透明，典型横向尺寸约为500纳米。值得注意的是，表面可见一些黑色颗粒，可能是样品干燥过程中部分氧化导致二氧化钛形成的结果。

结论

本研究通过原位刻蚀和静电吸附技术，在中空可热膨胀微球（TEMs）上构建了三维MXene纳米片网络。这种方法成功制备出了一种兼具被动热绝缘和主动光热转换功能的双模式热管理材料，通过精确调控浓度和厚度实现了这一目标。

CRediT作者贡献声明

谢文静：撰写——原始草稿、方法论、实验研究、数据分析。梁家久：实验研究。常光涛：撰写——审稿与编辑、可视化处理。李若欣：撰写——审稿与编辑、指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了苏州大学（项目编号：Q411500218）和江苏省纺织印染节能、减排和清洁生产工程技术研究中心（项目编号：2024-ERC(PRC)-9011580324）的资助。此外，还得到了苏州非物质文化遗产传承与创新联盟（纺织与丝绸类别，子项目编号：7111500224）的支持。