专利摘要
本发明涉及一种高强度MXene纤维的制备方法，包括：将MAXTi3C2Al刻蚀，洗涤至中性，然后第一次离心去沉淀，将得到的上层分散液第二次离心，将得到的沉淀物加入或不加入超纯水，得到MXene纺丝浆料；然后注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，将得到的MXene纤维置于氢碘酸溶液中浸泡，洗涤后烘干。该方法简单，适用于连续规模化制备，得到的MXene纤维具有较高的强度和较好的电导率。
权利要求
1.一种高强度MXene纤维的制备方法，包括：
（1）将MAX Ti
（2）将步骤（1）中MXene纺丝浆料注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，将得到的MXene纤维置于氢碘酸溶液中浸泡，洗涤后烘干，得到高强度MXene纤维，其中浸泡时间为8~12h。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤（1）中MAX Ti
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤（2）中壳聚糖溶液中壳聚糖与乙酸的质量比为1:2~1:5，乙酸与水的体积比为1:100~2:100。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤（2）中洗涤为：将纤维先后置于乙醇和超纯水中各浸泡5~10min后取出，重复3~5次。
5.一种如权利要求1所述方法制备得到的高强度MXene纤维。
6.一种如权利要求1所述方法制备得到的高强度MXene纤维的应用。
说明书
技术领域
本发明属于MXene纤维的制备领域，特别涉及一种高强度MXene纤维的制备方法。
背景技术
MXene作为二维材料家族的新成员，自从2011年问世以来，已经被广泛应用于储能、传感、热电等诸多领域。MXene的组成可以表示为Mn+1XnTx，其中M代表过度金属，通常为钛Ti、钒V、铬Cr以及钼Mo等。X通常为碳C或者是氮N，而Tx则代表了材料表面的终端基团，例如-O，-OH或者是-F。在众多MXene中，碳化钛Ti3C2是最早被制备出来的，研究也最为广泛。碳化钛纳米片具有极好的力学性能，优异的金属导电性，并且表面亲水，所以引起了广大研究者的研究兴趣。纳米级MXene固然性能优异，但纳米材料的操作不便，导致MXene纳米片的应用领域相对狭隘，因此将MXene纳米片进行宏观组装是MXene应用的重要方向。
另一方面，在柔性电子和可穿戴等领域，纤维作为纳米材料的一维的宏观组装体，相比于二维薄膜和三维凝胶，具有更好的柔性和可编织性能，能够更容易整合到柔性器件中。从2000年碳纳米管纤维首次成功制备，到2011年纯石墨烯纤维出现，再到最近MXene纤维的问世，基于无机导电纤维材料的研究在不断发展。近期，美国的YuryGogotsi(ACSCentral Science,2020,54-265.)和韩国的TaeHeeHan(Nature Communications,2020,11,1-7.)等人均将MXene形成液晶，通过湿法纺丝技术制备了纯MXene纤维，但其拉伸强度最高仅为70MPa，远低于碳纳米管纤维和石墨烯纤维，在实际应用过程中很容易发生断裂。因此如何提高MXene纤维的强度是其应用过程中需要解决的重要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度MXene纤维的制备方法，以克服现有技术中MXene纤维强度较低的缺陷。
本发明提供一种高强度MXene纤维的制备方法，包括：
(1)将MAX Ti3C2Al置于刻蚀剂中刻蚀，洗涤至中性，然后第一次离心去沉淀(离心目的是去除未被刻蚀的MAX Ti3C2Al)，将得到的上层分散液第二次离心，将得到的沉淀物加入或不加入超纯水，得到MXene纺丝浆料；
(2)将步骤(1)中MXene纺丝浆料注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，将得到的MXene纤维置于氢碘酸溶液中浸泡，洗涤后烘干，得到高强度MXene纤维。
所述步骤(1)中MAX Ti3C2Al与刻蚀剂的比例为1g:15mL～1g:30mL。
所述步骤(1)中刻蚀剂为氟化锂的盐酸溶液。
所述步骤(1)中第一次离心速度为3500rpm～4500rpm，第一次离心时间为5～10min。
所述步骤(1)中第二次离心速度为7000～10000rpm，第二次离心时间为1～2h。
所述步骤(2)中MXene纺丝浆料的浓度为25～50mg/mL。
所述步骤(2)中注入是通过注射器。
所述步骤(2)中壳聚糖溶液中壳聚糖与乙酸的质量比为1:2～1:5，乙酸与水的体积比为1:100～2:100。
所述步骤(2)中浸泡时间为4～12h。
所述步骤(2)中洗涤为：将纤维先后置于乙醇和超纯水中各浸泡5～10min后取出，重复3～5次。
所述步骤(2)中烘干的方法为：将纤维从超纯水中取出并卷绕至卷筒过程中用红外灯加热，然后置于30℃真空烘箱中烘干，备用。
本发明还提供一种上述方法制备得到的高强度MXene纤维。
本发明还提供一种上述方法制备得到的高强度MXene纤维的应用。
本发明通过将制备得到的MXene纤维置于氢碘酸溶液中浸泡，碘离子取代MXene纳米片终端基团中的羟基-OH，并生成液相产物，使得MXene在纤维内部堆积更加紧密，达到增加强度的效果。
本发明制备得到的MXene纤维具有较高的拉伸强度，在氢碘酸中处理4h以上，强度有明显的提升。处理时间12h时，纤维拉伸强度最高可达145MPa，比未经过处理的原始MXene纤维强度提高了600％以上，比目前最高的纯MXene纤维强度也提高了100％以上。
本发明简单，适用于连续规模化制备。所得高强度MXene纤维同时也具备较好的电导率，最高可达5.2×10
附图说明
图1为本发明的高强度MXene纤维制备过程示意图，其中产物图片为高强度MXene纤维卷绕收集在滚筒上的数码照片；
图2为实施例1制备得到的高强度MXene纤维截面扫描电镜照片；
图3为本发明制备得到的高强度MXene纤维在氢碘酸溶液中处理不同时间的(a)电导率和(b)拉伸强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明实施例中氟化锂、盐酸(36％～38％)、氢碘酸(≥45％)、壳聚糖和乙酸均购于国药集团，MAX(钛铝碳，200mesh，98％)购于吉林省一一科技有限公司。
力学性能由电子万能材料试验机(Instron 5969)测试得到，测试中纤维拉伸速率为5mm/min；电化学性能由电化学工作站(Bio-Logic VSP-300)测试得到，测试电压窗口为-1-1V。
实施例1
本实施例提供一种高强度MXene纤维的制备方法，具体包括：
(1)将1.6g氟化锂分散于15mL 9mol/L的盐酸溶液中，搅拌5min，得到澄清分散液，加入1g MAX Ti3C2Al，在35℃下恒温搅拌24h；将得到的分散液离心3次，速度为3500rpm，每次2min，取下层沉淀，直至呈中性；将得到的沉淀加入超纯水，振荡均匀后离心，速度为3500rpm，时间为10min，取上清液；将得到的上清液继续离心，速度为8000rpm，时间为1h。取沉淀，即得50mg/mL的MXene纺丝浆料；
(2)取2.5g壳聚糖于500mL超纯水中，再加入5mL乙酸，搅拌2h形成澄清的壳聚糖溶液。然后将步骤(1)中的纺丝浆料通过注射器以2mL/h速度注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，即可得到MXene纤维；
(3)将步骤(2)中制备得到的MXene纤维置于氢碘酸中浸泡12h后取出洗涤。洗涤过程具体为置于乙醇中浸泡10min后再置于超纯水中浸泡10min，重复5次。最后再烘干，具体为将纤维从超纯水中取出并卷绕至卷筒过程中用红外灯加热，然后置于30℃真空烘箱中烘干，备用。
本实施例制备得到的高强度MXene纤维截面扫描电镜照片如图2所示，从图中可以看到纤维内部呈排列有序的层状堆叠结构，半径约为98μm。
本实施例制备得到的高强度MXene纤维的拉伸强度和电导率如图3所示，浸泡时间为12h时，纤维的拉伸强度可达145.5MPa，电导率可达5.2×10
实施例2
本实施例提供一种高强度MXene纤维的制备方法，具体包括：
(1)将1.6g氟化锂分散于20mL 9mol/L的盐酸溶液中，搅拌10min，得到澄清分散液，加入1g MAX Ti3C2Al，在35℃下恒温搅拌24h；将得到的分散液离心5次，速度为3500rpm，每次2min，取下层沉淀，直至呈中性；将得到的沉淀加入超纯水，振荡均匀后离心，速度为4500rpm，时间为8min，取上清液；将得到的上清液继续离心，速度为7000rpm，时间为2h。取沉淀，加入5mL超纯水，即得33mg/mL的MXene纺丝浆料；
(2)取2g壳聚糖于500mL超纯水中，再加入4mL乙酸，搅拌2h形成澄清的壳聚糖溶液。然后将步骤(1)中的纺丝浆料通过注射器以2mL/h速度注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，即可得到MXene纤维；
(3)将步骤(2)中制备得到的MXene纤维置于氢碘酸中浸泡8h后取出洗涤。洗涤过程具体为置于乙醇中浸泡8min后再置于超纯水中浸泡8min，重复3次。最后再烘干，具体为将纤维从超纯水中取出并卷绕至卷筒过程中用红外灯加热，然后置于30℃真空烘箱中烘干，备用。
本实施例制备得到的高强度MXene纤维的拉伸强度和电导率如图3所示，浸泡时间为8h时，纤维的拉伸强度可达109.2MPa，电导率可达3.7×10
实施例3
本实施例提供一种高强度MXene纤维的制备方法，具体包括：
(1)将1.6g氟化锂分散于30mL 9mol/L的盐酸溶液中，搅拌20min，得到澄清分散液，加入1g MAX Ti3C2Al，在35℃下恒温搅拌24h；将得到的分散液离心5次，速度为3500rpm，每次2min，取下层沉淀，直至呈中性；将得到的沉淀加入超纯水，振荡均匀后离心，速度为4000rpm，时间为8min，取上清液；将得到的上清液继续离心，速度为10000rpm，时间为1h。取沉淀，加入10mL超纯水，即得25mg/mL的MXene纺丝浆料；
(2)取1g壳聚糖于500mL超纯水中，再加入5mL乙酸，搅拌2h形成澄清的壳聚糖溶液。然后将步骤(1)中的纺丝浆料通过注射器以2mL/h速度注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，即可得到MXene纤维；
(3)将步骤(2)中制备得到的MXene纤维置于氢碘酸中浸泡4h后取出洗涤。洗涤过程具体为置于乙醇中浸泡5min后再置于超纯水中浸泡5min，重复5次。最后再烘干，具体为将纤维从超纯水中取出并卷绕至卷筒过程中用红外灯加热，然后置于30℃真空烘箱中烘干，备用。
本实施例制备得到的高强度MXene纤维的拉伸强度和电导率如图3所示，浸泡时间为4h时，纤维的拉伸强度可达40.5MPa，电导率可达2.4×10
对比例1
(1)将1.6g氟化锂分散于20mL 9mol/L的盐酸HCl溶液中，搅拌5min，得到澄清分散液，加入1g MAX Ti3C2Al，在35℃下恒温搅拌24h；将得到的分散液离心3次，速度为3500rpm，每次2min，取下层沉淀，直至呈中性；将得到的沉淀加入超纯水，振荡均匀后离心，速度为3500rpm，时间为10min，取上清液；将得到的上清液继续离心，速度为8000rpm，时间为1h。取沉淀，即得50mg/mL的MXene纺丝浆料；
(2)取2.5g壳聚糖于500mL超纯水中，再加入5mL乙酸，搅拌2h形成澄清的壳聚糖溶液。然后将步骤(1)中的纺丝浆料通过注射器以2mL/h速度注入到壳聚糖溶液的凝固浴中，即可得到MXene纤维；
(3)将步骤(2)中制备得到的MXene纤维从凝固浴中取出并洗涤。洗涤过程具体为置于乙醇中浸泡10min后再置于超纯水中浸泡10min，重复3次。最后再烘干，具体为将纤维从超纯水中取出并卷绕至卷筒过程中用红外灯加热，然后置于30℃真空烘箱中烘干，备用。
本对比例制备得到的初始MXene纤维的拉伸强度和电导率如图3所示，浸泡时间为0h时，纤维的拉伸强度为23.4MPa，电导率可达1.1×10
对比例2
(1)将2g氟化锂分散于40mL 9mol/L的盐酸HCl溶液中，在35℃下搅拌30min，得到澄清分散液。加入2g MAX Ti3C2Al，在氩气气氛下搅拌24h；将得到的分散液离心直至呈中性；进一步洗涤浓缩MXene分散液，并在5℃下保存，备用。
(2)取40g氯化铵于1000mL超纯水中，再加入20mL氨水，搅拌形成澄清的凝固浴。然后将步骤(1)中的纺丝浆料通过注射器以7mL/h速度注入到凝固浴中，即可得到MXene纤维。本对比例参考文献：Eom W,Shin H,Ambade R B,et al.Large-scale wet-spinning ofhighly electroconductive MXene fibers[J].Nature Communications,2020,11(1):1-7.
本对比例制备得到的MXene纤维的拉伸强度最高为70MPa，电导率可达7.7×10
本发明和本对比例均是将MXene形成的液晶通过湿法纺丝技术制备得到MXene纤维，其主要区别如下：
(1)本发明中的凝固浴是壳聚糖溶液，而本对比例中凝固浴是氯化铵和氨水的混合溶液。对于湿法纺丝来说，凝固浴的选择对纤维的成形和纤维的性能都有着较大的影响。
(2)本发明中通过氢碘酸处理的高强度MXene纤维最高强度可达145MPa，相比于本对比例，最高强度提高超过了100％。但本发明中的纤维电导率比对比例低，因此本发明和本对比例对应的应用场景和领域会有区别。
一种高强度MXene纤维的制备方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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