杭师大汤龙程团队《Adv. Sci.》:超支化聚硅氧烷与透明质酸协同提升MXene复合材料的长时抗氧化性与室外环境热伪装

近日，我院汤龙程教授团队通过结合超支化聚硅氧烷(HSi)与类纤维素的透明质酸(HA)，设计了一种可规模化制备且能满足长期红外隐身要求的柔性MXene基红外隐身复合材料，解决了传统MXene基材料在室外复杂环境下耐候性差的难题。相关研究成果以题为“Large-Scale, Mechanically Robust, Solvent-Resistant, and Antioxidant MXene-Based Composites for Reliable Long-Term Infrared Stealth”发表在国际知名期刊Advanced Science (IF=15.1)上。

红外隐身材料可以在复杂环境中伪装物体，躲避红外探测器的探测，对保障国防士兵的生命安全至关重要。MXene是一种用于热伪装领域的“后起之秀”材料，因其较低的中红外发射率，在不同温度（-10~500oC）下均表现出了优异的红外隐身能力。然而，MXene在潮湿环境极易氧化，导致隐身性能会快速衰减；虽然在MXene片上引入改性材料能够抑制了其氧化，但常常不可避免地会削弱红外隐身性能，甚至完全失去热伪装功能。因此，开发兼顾红外隐身和长时环境可靠性的MXene热伪装材料仍是一个挑战。最近，杭州师范大学汤龙程教授课题组提出了超支化聚硅氧烷分子（HSi）和透明质酸（HA）协同改性的MXene复合材料，构建出具有共价键和氢键的双重分子网络，能够显著阻隔MXene氧化的同时不会影响其隐身性能，共改性后复合材料显示出优异的力学性能、良好的耐水/耐溶剂性、稳定抗氧化性和可靠的室外环境热伪装能力。

图1 可长期应用于复杂环境中的热伪装材料制备示意图

具体而言，在多种水溶性天然聚合物与合成聚合物中，透明质酸与MXene的复合材料表现出更优异的热伪装能力，也优于本身具备低发射率的聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸/MXene复合材料（图2a）。同时，依靠HA与MXene间氢键作用，透明质酸分子附着在MXene片层结构上，掩盖了MXene表面的缺陷结构，阻隔了水分子和氧气分子的侵蚀，防止MXene被氧化成TiO₂（图2b）。进而，通过引入超支化聚硅氧烷分子（HSi），构建交联网络，在保持隐身性能的基础上，实现了材料的复杂环境下的防水/防溶剂性能。通过评估H3M3Si2膜热伪装能力、电学性能以及环境稳定性，结构证实优化MXene复合材料（H3M3Si2）展现出较低的发射率（~0.29），且在3.5%NaCl溶液中维持50天的性能稳定（图2c）。得益于上述材料结构和理化性能的设计，H3M3Si2材料兼具可流动性、成膜性和可规模化应用，通过分子间的氢键以及超支化聚硅氧烷与棉织物的共价交联，H3M3Si2涂敷的棉织物显示出良好的红外隐身能力与室外环境长时热伪装性能（图2d）。可见，该工作采用透明质酸和有机硅超支化分子协同改性为制备长时间抗氧化性、耐水性和稳定热伪装的MXene复合材料提供了新思路。

图2 （a）不同高分子/MXene复合膜的红外热成像图；（b）MXene与透明质酸/MXene（H₂M₂）氧化处理25天后的XRD图；（c）透明质酸/超支化有机硅分子/MXene(H₃M₃Si₂)复合膜浸泡3.5 wt%盐水后的红外热成像图；（d）H₃M₃Si₂涂覆T-恤衫暴露在室外的光学照片和放置室外~8月的前后红外热成像对比图。

该论文第一作者为2020级郭必泛硕士（现于厦门大学攻读博士学位），共同第一作者为2022级硕士生汪叶珺，通讯作者为杭州师范大学汤龙程教授和南昆士兰大学曹承飞博士。该工作得到国家自然科学基金，浙江省科技部重点研发计划等项目的资助与支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202309392