研究背景

MXene做阻燃劑有利于高性能聚合物復合材料的發(fā)展，但是MXene與聚合物基體的相容性較差，本研究首先用磷?；瘹ぞ厶菍Xene進行改性，制備了 pcs-MXene 納米雜化材料，制備的納米雜化材料與聚氨酯基體具有良好相容性，制備tpu/pcs-MXene 納米復合材料。

成果簡介

最近，云南省磷化學工程與新型磷材料節(jié)能重點實驗室、昆明理工大學羅勇在期刊Journal of Colloid and Interface Science發(fā)表一篇題目為“Fabrication of thermoplastic polyurethane with functionalized MXene towards high mechanical strength, flame-retardant, and smoke suppression properties”的論文，羅勇為第一作者。該論文指出聚氨酯易燃，要使用阻燃的高分子聚合物聚氨酯，需要加入阻燃劑。基于MXene的物理化學特征，它可以作阻燃劑，但是MXene與聚合物基體相容性較差，通過MXene改性使MXene與磷酸化的殼聚糖cs復合，來提高納米雜化物PCS-MXene與聚合物的相容性，將得到的納米雜化物通過溶液混合和熱壓方法引入熱塑性聚氨酯（TPU）基體中，，最終得到TPU/PCS-MXene納米復合材料。與原始TPU和TPU/MXene納米復合材料相比，所得納米雜化物與TPU基體具有優(yōu)異的相容性，增強了TPU/PCS-MXene納米復合材料的機械性能。此外，TPU/PCS-MXene納米復合材料的阻燃性能大大提高，同時有效抑制了煙氣排放?？傊?，通過PCS改性，MXene的相容性問題得到了有效解決，其阻燃性得到了極大提高，而PCS改性的生物基特性又極大地促進了MXene聚合物復合材料的進一步發(fā)展。更重要的是，本論文啟發(fā)了我們通過MXene改性功能化后可以大大提高與聚合物基體相容性，可以嘗試將MXene改性后作無機填料與聚合物基體結合制作固態(tài)電解質。

圖文導讀

圖1. (a) MAX和(b)多層MXene 的SEM圖; (c) XRD譜圖;TEM (d)和AFM圖; (f) MXene的相應高度剖面。

圖1(a)和(b)分別顯示了MAX和多層MXene的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，清楚地顯示了MXene在MAX中去除Al后的手風琴狀層狀結構。X射線衍射(XRD)結果圖1(c)表明鋁層消失，進一步證實了成功的蝕刻鋁形成MXene。此外，去除鋁層后，MXene的特征衍射峰(002)發(fā)生了改變。結果表明，相應的基團(如-O，-OH，Li+)和H2O分子嵌入到 MXene 的層狀結構中。圖1(d)中的透射電子顯微鏡圖像顯示了通過LiF/HCl腐蝕和分層方法合成的超薄MXene納米片的典型形貌。原子力顯微鏡(afm)結果圖1(e)和(f)顯示MXene納米片的厚度為2.0 ± 0.2 nm。這些角色塑造結果表明成功地制備了多層MXene納米片。

圖2.（a）CS和PCS的FTIR光譜；（b）MXene和PCS-MXene的XRD圖譜和（c）FTIR光譜；（d）PCS-MXene的高分辨率ti2p-XPS光譜。

在cs和pcs的傅里葉變換紅外光譜圖2(a)中，通過cs與磷酸鹽的反應生成P-O-C鍵。通過XRD對MXene和PCS-MXene的晶體結構進行了表征，如圖2（b）所示, 結果表明，PCS-MXene的特征峰002峰左移，與未改性的MXene相比，表明由于PCS分子的插入，MXene的層間間距增大。然后，通過FTIR和X射線光電子能譜（XPS）確認PCS-MXene的化學成分。在圖2（c）中，PCS-MXene顯示了一個新的峰值。這些結果表明MXene和PCS之間存在共價鍵，而不僅僅是范德華力和/或氫鍵相互作用。這些結果進一步證實了通過將PCS分子共價接枝到MXene納米片中成功制備PCS-MXene。

圖3.?（a）MXene和（b）PCS-MXene的SEM圖像；PCS MXene的元素映射結果顯示（c）c、（d）O、（e）N、（f）P、（g）Ti和（h）所有元素。

圖3（a）和（b）顯示了MXene納米片和PCS-MXene的SEM圖像。MXene顯示出光滑的表面和典型的層狀結構。在PCS修改后，盡管保留了MXene納米片的層狀結構，但PCS-MXene（圖3（b））的表面更粗糙，并伴有許多褶皺，這被認為是由于裝飾了PCS。此外，PCM-MXene的元素映射（圖3（c）-（h））顯示了C、O、N、P和Ti的均勻分布。

圖4.?（a1）-（a2）原始TPU、（b1）-（b2）TPM-0的SEM圖像。5、（c1）-（c2）TPM-1、（d1）-（d2）TPM-2、（e1）-（e2）TPM-3和（f1）-（f2）TM-3。

? ? ?如圖4所示，通過橫截面SEM圖像研究了PCS-MXene和TPU基質之間的相容性和界面相互作用。顯然，原始的TPU擁有相對平滑的內部結構，只有一些缺陷。在引入MXene和PCS-MXene后，觀察到具有指狀孔的粗糙斷裂表面，表明這些納米填料與TPU基體之間的界面相互作用更強。此外，TPU/MXene納米復合材料清楚地顯示出聚集（圖4（f）），這意味著MXene和聚合物之間的分散性差，相互作用弱。相比之下，在TPU/PCS-MXene納米復合材料中沒有觀察到這種團聚，這表明PCS-MXene與TPU基體之間的相容性有所改善。這種改善應歸因于PCS-MXene納米填料的PCS段與TPU基體之間的氫鍵相互作用，這也有利于提高納米復合材料的力學性能。

圖5.?原始TPU及其復合材料的機械性能：（a）應力-應變曲線，（b）拉伸強度和斷裂伸長率。*實驗重復五次，并根據(jù)五次重復實驗計算標準偏差。

圖6.?（a）氮氣氣氛下純TPU及其復合材料的TG和（b）DTG。

本文總結

? ? ??本文制備了一種新型PCS功能化MXene納米雜化材料，并進一步用于制備具有優(yōu)異機械性能、熱穩(wěn)定性、阻燃性和抑煙性的TPU復合材料。實驗結果證實，通過接枝PCS可以抑制MXene納米片的再堆積現(xiàn)象，這對于改善與TPU基體的相容性和避免團聚具有重要意義。此外，與TM-3相比，TPM-3的殘余含量顯著提高，這有助于提高聚合物的阻燃性。氣相和凝聚相分析表明，阻燃性能的提高主要是由于PCS和MXene的催化炭化和物理阻隔效應形成了更完整、更致密的炭層。本研究不僅解決了2D MXene的分散問題，還進一步提高了TPU的阻燃性和抑煙性，從而為設計具有優(yōu)異機械和防火性能的高性能聚合物納米復合材料開辟了一條新途徑。我們未來的工作將集中在MXene基聚合物復合材料的抗滴落性能上，從而進一步擴大其應用范圍。

第一作者簡介:

羅勇，昆明理工大學碩士，被引用47次，H因子8.128。

通訊作者簡介：

華武，昆明理工大學教授。

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