天然橡胶是重要的工业弹性原料，其优异的综合性能使其具有不可替代性，研发新型天然橡胶复合材料是延伸其应用领域、拓展其应用范围的有效途径。近期，中国热科院加工所在新型天然橡胶复合材料领域连续取得重要进展。

一、高性能复合导电纤维

　　MXene具有极高的赝电容性能，是制备储能纤维的优选材料。但是利用纯MXene制备的纤维韧性差，很难满足可编制的要求，限制了其大规模生产和应用。加工所科技人员通过在MXene纤维中引入CNTs（碳纳米管），利用界面调控和湿法纺丝技术，突破了高韧性MXene纤维制备技术，研制了高韧性、高强度、高导电的MXene/CNT复合纤维。优异的力学性能使其能够编织成用于能源储存的织物，扩展了MXene纤维作为高速率电极的应用，同时也为大规模湿法纺丝MXene纤维提供了新思路（图1、图2）。该工作以“Carbon Nanotube Boosts the Toughness and Conductivity of Wet-Spun MXene Fibers for Fiber-Shaped Super capacitors”为题发表在Carbon上，加工所为第一单位，联合培养硕士研究生赵旭和特聘专家张吉振博士为共同第一作者，陶金龙博士为通讯作者。　

图1. (a)通过一步湿纺法制备MXene/CNT复合纤维的流程图；(b)连续制备的纤维，理论上可以无限长；(c)- (d)纤维的内部结构；(e)纤维可以自由打结，展示出良好的强度和柔韧性。

图2. (a)MXene/CNT复合纤维力学性能数据；（b）复合纤维良好的力学性能使其可以用于编织；（c）复合纤维良好的导电性能使其可以用作导线；（d）复合纤维具有优良的电化学性能；（e）复合纤维可直接引入到智能编织品中充当高速率电极；（f）复合纤维良好的循环性能使其具有极大的应用潜力。

　　此外，柔性可穿戴器件、柔性机器人、智能织物等除了要求材料具有优异的导电性，还需具备良好的柔性。将导电填料引入到天然橡胶纤维中，是制备高弹性、高导电纤维材料的有效途径之一。加工所科技人员通过优化配方、调整工艺，突破了超细天然橡胶纤维和高导电MXene/天然橡胶复合纤维制备技术，纤维直径可小于200μm（一根头发丝的平均直径约70μm），拉断伸长率高达1200%（图3），基于天然橡胶的连续超细多功能弹性纤维技术的攻破，为发展“绿色”超高弹性、可编织和可穿戴的纤维状弹性电子元件提供了良好的基础。

图3. (a)彩色连续超细橡胶纤维；(b)- (c) MXene/天然橡胶复合纤维及SEM图；(d)将MXene/天然橡胶复合纤维编入织物中用于柔性传感； (e) MXene/天然橡胶复合纤维导电性能。

二、可书写电子电路的MXene “墨水”

　　与传统印刷方式相比，直接在物体表面利用圆珠笔书写电路，提供了更多的个性化及可操作性。MXene是制备导电电路和电子柔性器件的理想原料之一，但是水溶性的MXene溶液因在室温下容易被氧化而不能长期保存。针对上述问题，加工所科技人员通过溶剂复配策略，突破了室温下可稳定保存的MXene油墨制备技术，研制了具有良好流动性和书写能力的MXene油墨，并成功用商用圆珠笔在柔性基板上书写电子电路，这种电路具有快速、准确的触摸性和水位测量响应，表明在柔性电子技术领域存在潜在应用价值（图4）。该工作以“Environmentally stable MXene ink for direct writing flexible electronics”为题发表在Nanoscale上，加工所为第一单位，孔娜博士为第一作者。

图4. (a) 装有导电 MXene 墨水的商业化圆珠笔的照片，其中包含 MXene 薄片在水和 EG 的混合物中的示意图（左上图）和笔尖的 SEM 图像（左下图）；（b）查尔斯狄更斯的《两个城市的故事》的第一段，以及（c-e）使用 MXene 墨水在A4 纸上绘制的不同导电图案。　

　　 此外，加工所科技人员正在积极开展“基于天然橡胶/MXene的可印刷柔性复合导电墨水”关键技术研发。与含有机溶剂墨水相比，该复合导电墨水可充分发挥天然胶乳水溶液“绿色环保”的优势，借助MXene表面丰富的官能团能与天然橡胶之间形成稳定的键合，构建天然橡胶分子与MXene导电填料“网络互穿”的柔性印刷传感器，实现天然橡胶在柔性功能材料领域的应用。

三、高导电多孔泡沫

　　构筑高功率密度且充放电速度快的储能器件是发展便携式电子设备的关键技术。MXene作为一种新型二维高导电材料，其超高电容、良好的机械强度在储能器件设计方面展现出独特的优势。然而，受分子间范德华力的影响，导致活性表面降低，阻碍了电子的转移。针对上述问题，加工所科研人员采用牺牲模板法成功制备出具有高度互连孔道的MXene泡沫，丰富的孔道结构有效地扩大了比表面积，为层间的电子移动提供了足够多的有效位点，加快了电子转移速率。当其作为电极材料时表现出远高于MXene薄膜的电容，相较于已商用化的超级电容器，由MXene泡沫所制备的超级电容器表现出了远高于传统电容器的电化学性能，尤其是在功率和能量密度上实现了大的突破。此外，通过调控模板尺寸大小及其负载量，探究了孔径数量和尺寸调控对MXene泡沫内部电子转移的影响，揭示了模板尺寸对控制MXene基泡沫的孔径和孔隙率的重要性，为高性能超级电容器的多孔电极设计提供了重要参考（图5）。该工作以“Understanding the Effect of Pore Size on Electrochemical Capacitive Performance of MXene Foams”为题发表在Small上，联合培养硕士研究生吕可和加工所张吉振博士为共同第一作者。

图5. (a) 三维MXene泡沫的制备过程示意图；(b) 三种不同尺寸大小模板及其各自制备的MXene泡沫SEM图像；(c)三维MXene泡沫照片，展示了柔韧性；(d) 纯MXene薄膜和三种不同尺寸大小的MXene泡沫的电化学性能测试对比及柔性超级电容器的电化学性能测试。

　　此外，加工所科技人员以天然橡胶泡沫和MXene为材料构筑了具有良好灵敏度和传感区间的柔性压力传感器，该工作以“Constructing conductive titanium carbide nanosheet (MXene) network on natural rubber foam framework for flexible strain sensor”为题发表在J Mater Sci: Mater Electron上，加工所为第一单位，张吉振博士和陶金龙博士为共同通讯作者。

　　目前，加工所天然橡胶加工研究室已经在高性能特种天然橡胶原胶加工领域取得重大突破，该研究室新增设立新型天然橡胶复合材料方向，目的是进一步挖掘天然橡胶性能，拓展应用领域，为国防和高端民用工业的基础弹性材料应用提供新的高质量技术储备。

　　文章链接如下：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622322006698

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nr/d1nr07387g

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202202203

https://link.springer.com/article/10.1007/s10854-022-08462-9