炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)據(jù)中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院網(wǎng)消息，天然橡膠是重要的工業(yè)彈性原料，其優(yōu)異的綜合性能使其具有不可替代性，研發(fā)新型天然橡膠復(fù)合材料是延伸其應(yīng)用領(lǐng)域、拓展其應(yīng)用范圍的有效途徑。近期，中國熱科院加工所在新型天然橡膠復(fù)合材料領(lǐng)域連續(xù)取得重要進(jìn)展。

一、高性能復(fù)合導(dǎo)電纖維

MXene具有極高的贗電容性能，是制備儲(chǔ)能纖維的優(yōu)選材料。但是利用純MXene制備的纖維韌性差，很難滿足可編制的要求，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。加工所科技人員通過在MXene纖維中引入CNTs(碳納米管)，利用界面調(diào)控和濕法紡絲技術(shù)，突破了高韌性MXene纖維制備技術(shù)，研制了高韌性、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電的MXene/CNT復(fù)合纖維。優(yōu)異的力學(xué)性能使其能夠編織成用于能源儲(chǔ)存的織物，擴(kuò)展了MXene纖維作為高速率電極的應(yīng)用，同時(shí)也為大規(guī)模濕法紡絲MXene纖維提供了新思路。該工作以“Carbon Nanotube Boosts the Toughness and Conductivity of Wet-Spun MXene Fibers for Fiber-Shaped Super capacitors”為題發(fā)表在Carbon上，加工所為第一單位，聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生趙旭和特聘專家張吉振博士為共同第一作者，陶金龍博士為通訊作者。

此外，柔性可穿戴器件、柔性機(jī)器人、智能織物等除了要求材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，還需具備良好的柔性。將導(dǎo)電填料引入到天然橡膠纖維中，是制備高彈性、高導(dǎo)電纖維材料的有效途徑之一。加工所科技人員通過優(yōu)化配方、調(diào)整工藝，突破了超細(xì)天然橡膠纖維和高導(dǎo)電MXene/天然橡膠復(fù)合纖維制備技術(shù)，纖維直徑可小于200μm(一根頭發(fā)絲的平均直徑約70μm)，拉斷伸長率高達(dá)1200%，基于天然橡膠的連續(xù)超細(xì)多功能彈性纖維技術(shù)的攻破，為發(fā)展“綠色”超高彈性、可編織和可穿戴的纖維狀彈性電子元件提供了良好的基礎(chǔ)。

二、可書寫電子電路的MXene “墨水”

與傳統(tǒng)印刷方式相比，直接在物體表面利用圓珠筆書寫電路，提供了更多的個(gè)性化及可操作性。MXene是制備導(dǎo)電電路和電子柔性器件的理想原料之一，但是水溶性的MXene溶液因在室溫下容易被氧化而不能長期保存。針對(duì)上述問題，加工所科技人員通過溶劑復(fù)配策略，突破了室溫下可穩(wěn)定保存的MXene油墨制備技術(shù)，研制了具有良好流動(dòng)性和書寫能力的MXene油墨，并成功用商用圓珠筆在柔性基板上書寫電子電路，這種電路具有快速、準(zhǔn)確的觸摸性和水位測量響應(yīng)，表明在柔性電子技術(shù)領(lǐng)域存在潛在應(yīng)用價(jià)值(圖4)。該工作以“Environmentally stable MXene ink for direct writing flexible electronics”為題發(fā)表在Nanoscale上，加工所為第一單位，孔娜博士為第一作者。

此外，加工所科技人員正在積極開展“基于天然橡膠/MXene的可印刷柔性復(fù)合導(dǎo)電墨水”關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。與含有機(jī)溶劑墨水相比，該復(fù)合導(dǎo)電墨水可充分發(fā)揮天然膠乳水溶液“綠色環(huán)?！钡膬?yōu)勢，借助MXene表面豐富的官能團(tuán)能與天然橡膠之間形成穩(wěn)定的鍵合，構(gòu)建天然橡膠分子與MXene導(dǎo)電填料“網(wǎng)絡(luò)互穿”的柔性印刷傳感器，實(shí)現(xiàn)天然橡膠在柔性功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

三、高導(dǎo)電多孔泡沫

構(gòu)筑高功率密度且充放電速度快的儲(chǔ)能器件是發(fā)展便攜式電子設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。MXene作為一種新型二維高導(dǎo)電材料，其超高電容、良好的機(jī)械強(qiáng)度在儲(chǔ)能器件設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，受分子間范德華力的影響，導(dǎo)致活性表面降低，阻礙了電子的轉(zhuǎn)移。針對(duì)上述問題，加工所科研人員采用犧牲模板法成功制備出具有高度互連孔道的MXene泡沫，豐富的孔道結(jié)構(gòu)有效地?cái)U(kuò)大了比表面積，為層間的電子移動(dòng)提供了足夠多的有效位點(diǎn)，加快了電子轉(zhuǎn)移速率。當(dāng)其作為電極材料時(shí)表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于MXene薄膜的電容，相較于已商用化的超級(jí)電容器，由MXene泡沫所制備的超級(jí)電容器表現(xiàn)出了遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器的電化學(xué)性能，尤其是在功率和能量密度上實(shí)現(xiàn)了大的突破。此外，通過調(diào)控模板尺寸大小及其負(fù)載量，探究了孔徑數(shù)量和尺寸調(diào)控對(duì)MXene泡沫內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移的影響，揭示了模板尺寸對(duì)控制MXene基泡沫的孔徑和孔隙率的重要性，為高性能超級(jí)電容器的多孔電極設(shè)計(jì)提供了重要參考(圖5)。該工作以“Understanding the Effect of Pore Size on Electrochemical Capacitive Performance of MXene Foams”為題發(fā)表在Small上，聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生呂可和加工所張吉振博士為共同第一作者。

此外，加工所科技人員以天然橡膠泡沫和MXene為材料構(gòu)筑了具有良好靈敏度和傳感區(qū)間的柔性壓力傳感器，該工作以“Constructing conductive titanium carbide nanosheet (MXene) network on natural rubber foam framework for flexible strain sensor”為題發(fā)表在J Mater Sci: Mater Electron上，加工所為第一單位，張吉振博士和陶金龍博士為共同通訊作者。

目前，加工所天然橡膠加工研究室已經(jīng)在高性能特種天然橡膠原膠加工領(lǐng)域取得重大突破，該研究室新增設(shè)立新型天然橡膠復(fù)合材料方向，目的是進(jìn)一步挖掘天然橡膠性能，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，為國防和高端民用工業(yè)的基礎(chǔ)彈性材料應(yīng)用提供新的高質(zhì)量技術(shù)儲(chǔ)備。