镍离子介导的抗氧化MXene@咖啡酸在羧基氨基化棉织物上的组装，用于多功能可穿戴纺织品

《Nano Materials Science》：Nickel-ion-mediated assembly of antioxidant MXene@Caffeic acid on carboxyl-aminated cotton fabric for multifunctional wearable textiles

MXene@咖啡酸复合织物通过镍离子辅助沉积制备，兼具高导电性（289.18 S/cm）、优异电磁屏蔽（66.8 dB）及热管理性能（112.1°C/49秒），咖啡酸抑制MXene氧化并增强界面结合，镍离子促进导电网络形成。

　　这项研究探讨了一种新型的多功能纺织品材料——基于MXene和咖啡酸（CA）的复合材料CPCF-Ni-MC。该材料通过简单的浸渍法将MXene@CA复合分散液沉积在经过羧基和氨基改性的棉织物上，并借助镍离子（Ni2?）的作用，实现了对MXene纳米片与织物之间界面结合的增强。研究结果表明，这种复合材料不仅保留了原始棉织物的透气性、吸湿性、可洗涤性和柔韧性，还表现出优异的导电性、电磁干扰（EMI）屏蔽性能以及出色的环境适应能力。其导电率高达289.18 S cm?1，电磁屏蔽效果达到66.8 dB，并且在低电压驱动下具备快速焦耳加热能力（在3.5 V下49秒内可达到112.1 °C），同时具有极低的红外发射率（0.21）和优异的紫外线（UV）防护能力（在UVA和UVB波段的透射率低于0.01）。此外，该纺织品还展现出良好的疏水性、阻燃性以及对极端环境的适应能力，从而为高性能、稳定的可穿戴设备提供了新的设计思路和实现路径。

### 研究背景与意义

随着可穿戴技术和物联网（IoT）的快速发展，多功能电子纺织品正逐渐成为一项重要的创新技术。这些材料可以将电子功能与传统纺织品相结合，实现对环境的智能响应和交互。然而，尽管MXene因其出色的导电性、低中红外发射率和丰富的表面官能团（如-OH、-O、-F）而受到广泛关注，但其在实际应用中面临一些关键挑战。例如，MXene在水和空气中容易发生氧化降解，导致其性能不稳定，影响使用寿命。此外，MXene与织物基底之间的结合力较弱，这使得在反复弯曲或洗涤过程中，导电性可能会显著下降，限制了其在实际可穿戴设备中的应用。

因此，如何在保持MXene优良性能的同时，提高其在纺织品中的稳定性和界面结合力，成为当前研究的重要方向。本研究通过引入镍离子作为辅助剂，结合咖啡酸的抗氧化特性，成功构建了一种具有多功能集成的稳定纺织品材料CPCF-Ni-MC。该材料不仅克服了传统MXene材料在氧化稳定性方面的不足，还显著提升了其与织物之间的结合强度，使其在复杂使用环境中依然能够保持良好的导电性和功能性。

### 材料制备与改性过程

研究团队首先对原始棉织物（CF）进行了两步改性处理，即先通过TEMPO氧化法引入羧基（-COOH），再通过聚乙烯亚胺（PEI）与戊二醛（GA）的交联反应引入氨基（-NH?），从而在织物表面形成羧基-氨基双功能化结构（CPCF）。这种双功能化处理不仅增强了织物表面的化学活性，还为其后续与MXene纳米片的结合提供了更多的活性位点。

随后，将MXene纳米片与咖啡酸进行复合处理，形成MXene@CA（MC）复合分散液。咖啡酸中的苯环能够有效吸收紫外线，而酚羟基则可以中和自由基，从而对MXene纳米片起到抗氧化保护作用。此外，咖啡酸的酚羟基还可以与MXene表面的钛原子形成共价键，进一步增强其在织物上的结合稳定性。为了进一步提高MXene在织物上的沉积效果，研究团队引入了镍离子（Ni2?）作为桥梁分子，通过其与羧基和氨基的配位作用，形成稳定的Ni-O-C和Ni-N配位结构，从而提升复合材料的导电性和结构稳定性。

最终，通过浸渍法将MC复合分散液沉积在CPCF织物上，形成CPCF-Ni-MC复合纺织品。该方法不仅成本低廉，而且具有良好的可扩展性，适用于大规模生产。为了验证该方法的可行性，研究团队还制备了多种对照样品，包括未改性的棉织物（CF）、仅沉积MXene的样品（CF-M）、仅沉积Ni2?的样品（CF-Ni）、仅沉积MC复合分散液的样品（CF-MC）以及在不同处理顺序下形成的样品（如CCF-Ni-MC、CPCF-M、CPCF-Ni-M等），以便对CPCF-Ni-MC的性能进行全面评估。

### 复合材料的结构与性能分析

通过多种表征手段，研究团队对CPCF-Ni-MC复合材料的结构和性能进行了深入分析。首先，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，MXene纳米片在CPCF织物表面形成了连续且均匀的网络结构，这表明其沉积过程非常有效。此外，原子力显微镜（AFM）图像揭示了MXene纳米片在加入咖啡酸后，其表面粗糙度和厚度均有所增加，进一步验证了咖啡酸的成功接枝。

在导电性方面，CPCF-Ni-MC复合材料表现出显著提升的导电性能。其导电率达到了289.18 S cm?1，远高于未改性织物或其他改性织物的导电率。这一性能的提升主要得益于镍离子与织物表面羧基和氨基的共价键结合，以及咖啡酸与MXene纳米片之间的协同作用。通过改变镍离子的浓度，研究团队发现当浓度为0.07 mmol mL?1时，导电率和电磁屏蔽性能均达到最佳状态，而过高的浓度反而会导致涂层开裂，影响材料的稳定性。

在电磁屏蔽性能方面，CPCF-Ni-MC复合材料在X波段（8.2 GHz至12.4 GHz）内表现出优异的屏蔽效果，平均总屏蔽效能（EMI SE）超过66 dB。相比之下，未改性织物和仅沉积Ni2?的织物由于缺乏导电性，其屏蔽效能几乎可以忽略不计。此外，研究还发现，CPCF-Ni-MC在多次弯曲和洗涤后仍能保持较高的屏蔽效能，说明其具有良好的机械稳定性和耐久性。

在热管理方面，CPCF-Ni-MC复合材料表现出卓越的焦耳加热性能。在3.5 V的驱动电压下，其能够在49秒内迅速升温至112.1 °C，显示出极高的电热转换效率。同时，该材料的红外发射率仅为0.21，显著低于传统MXene材料，使其在红外热伪装方面具有巨大潜力。通过红外热成像实验，研究团队发现CPCF-Ni-MC在高温环境下能够有效抑制热信号的释放，使其在军事和安全领域具有重要的应用前景。

在环境适应性方面，CPCF-Ni-MC复合材料展现出良好的疏水性和阻燃性。通过接触角测试，研究团队发现其表面疏水性显著增强，水滴在织物表面形成明显的珠状结构，表明其具有优异的防潮性能。此外，在燃烧测试中，CPCF-Ni-MC表现出比原始棉织物更长的点燃延迟时间和更短的燃烧时间，最终形成较稳定的炭化残留物。这种性能的提升主要归因于MXene在高温下形成的TiO?保护层，有效隔绝了氧气和自由基的侵袭，从而提升了织物的耐火性。

### 多功能集成的优势与实际应用前景

CPCF-Ni-MC复合材料通过简单的浸渍法实现了多种功能的集成，包括导电性、电磁屏蔽、红外热伪装、紫外线防护、疏水性和阻燃性。这种多功能集成不仅提高了材料的综合性能，还为其在可穿戴设备中的应用提供了广阔的可能性。例如，在极端低温环境中，该材料能够提供有效的热管理功能，帮助穿戴者保持舒适的体感温度。同时，其出色的电磁屏蔽性能可有效减少电磁辐射对人体健康的潜在影响，确保电子设备在复杂电磁环境中正常运行。

此外，CPCF-Ni-MC的低红外发射率使其在军事和安全领域具有重要应用价值。通过抑制红外信号的释放，该材料能够显著降低目标的可探测性，提高作战单位的隐蔽性。在航空航天领域，其热管理功能可以用于控制飞行器表面的温度，减少热应力对设备的影响。而在日常生活场景中，其紫外线防护能力可以为用户提供额外的皮肤保护，特别是在户外活动时。

从经济性和可扩展性角度来看，CPCF-Ni-MC的制备过程采用了成本低廉且易于大规模生产的浸渍法，这使得其在实际应用中具有较高的可行性。相比传统的复合材料制备方法，该方法不仅减少了对复杂设备的需求，还降低了制造成本，为可穿戴电子产品的普及提供了技术支持。

### 结论与未来展望

本研究成功开发了一种基于MXene和咖啡酸的多功能复合纺织品CPCF-Ni-MC，其在导电性、电磁屏蔽、红外热伪装、紫外线防护、疏水性和阻燃性方面均表现出优异性能。通过镍离子的辅助作用，实现了MXene纳米片与织物之间的高效结合，提升了材料的稳定性和功能性。这种新型纺织品不仅在性能上超越了传统MXene材料，还具备良好的机械强度和环境适应性，为可穿戴设备的多功能集成提供了新的思路。

未来，CPCF-Ni-MC复合材料有望在更多领域得到应用。例如，在智能服装领域，其可作为集成传感器和加热元件的载体，实现对温度、湿度等环境参数的实时监测与调节。在医疗领域，其电磁屏蔽性能可以用于开发具有防护功能的可穿戴设备，减少电磁辐射对患者的影响。此外，在环境保护方面，其紫外线防护和阻燃特性可以用于制造具有防护功能的户外服装和安全防护装备。

综上所述，CPCF-Ni-MC复合材料的开发不仅拓展了MXene在纺织品领域的应用范围，还为高性能、稳定且多功能的可穿戴电子设备提供了新的解决方案。随着相关技术的不断进步，这种材料有望在未来成为智能纺织品领域的重要组成部分。