【MXene复合材料】尺寸不匹配SiC/ZIF-67对MXene的联合剥离制备多功能阻燃热塑性聚氨酯

首页 > 行业动态 > 【MXene复合材料】尺寸不匹配SiC/ZIF-67对MXene的联合剥离制备多功能阻燃热塑性聚氨酯

摘要：
清华大学符汪洋，北京理工大学潘也唐&何吉宇老师等报道的本篇文章（Small 2024, 2403375）中针对热塑性聚氨酯(TPU)的阻燃性能较差的问题，提出了一种通过尺寸失配和协同剥离策略将多层MXene转化为单层的方法，并利用功能化的MXene@SiC@PANI纳米复合材料作为填充剂，以提高TPU的热导率、阻燃性和抗菌性。实验结果显示，TPU/MXene@SiC@PANI复合材料的表面温度在10秒内从33.4°C升至59.8°C，抗菌效率分别达到69.6%和88.9%。与纯TPU相比，复合材料的峰值热释放率和总热释放量分别降低了71.4%和34.6%。此外，文章还系统讨论了MXene复合材料的阻燃机制，并指出聚苯胺(PANI)的引入增强了填充剂与聚合物的相容性，有效保持了TPU本身的机械性能。

研究背景：
1. 随着5G技术和电子设备小型化的发展，对电子元件的综合性能提出了更高要求。特别是高速电子设备运行时产生的热量严重影响设备的正常性能，甚至可能引发火灾，对人类安全构成潜在威胁。
2. 传统的P/N阻燃剂虽然可以提高TPU的阻燃性能，但往往会牺牲其机械性能。
3. 作者通过联合剥离策略成功制备了单层MXene，并以其为基底，通过原位生长和表面聚合的方式制备了MXene@SiC@PANI纳米复合材料，显著提高了TPU的热导率、阻燃性和抗菌性，同时保持了TPU的机械性能。

实验部分：
1. 制备MXene@SiC@PANI纳米复合材料：作者通过三步反应成功制备了MXene@SiC@PANI纳米复合材料，包括化学蚀刻、原位加载ZIF-67和SiC到MXene表面，以及MXene的同时剥离。最终，在植酸的存在下，沿ZIF-67表面原位形成了PANI。
2. 热重分析（TGA）：研究了MAX、MXene、MXene@SiC@ZIF和MXene@SiC@PANI在N2条件下的热稳定性。结果显示，MAX具有极高的热稳定性，在700°C时没有质量损失，而MXene@SiC@PANI在800°C时的最终残碳量增加到72.2%。
3. 差示扫描量热法（DSC）：分析了TPU复合材料的微观结构变化。发现由于SiC的纤维性质，TPU/MXene@SiC复合材料具有最低的玻璃化转变温度（Tg）。
4. 抗菌性能测试：将E. coli和S. aureus悬液暴露于纯TPU和TPU/MXene@SiC@PANI复合材料上，测试其抗菌效果。TPU/MXene@SiC@PANI复合材料在12小时和24小时的抗菌效率分别显著提高。
5. 电导率测量：研究了TPU复合材料的电导率，发现随着MXene的加入，复合材料的电导率显著提高，特别是加入PANI后，电导率达到9.71 S m−1。
6. 电磁干扰屏蔽性能测试：研究了TPU复合材料的电磁干扰屏蔽效能，发现所有复合材料的屏蔽效能均优于纯TPU。

分析测试：
1. 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：用于观察MXene及其复合材料的形态和结构演变，确认了从块体结构到多层结构再到单层结构的演变。
2. X射线衍射（XRD）：分析了MAX、MXene、ZIF-67、MXene@SiC@ZIF和MXene@SiC@PANI的晶体相，发现MXene的(002)晶面衍射峰消失，证实了手风琴状结构MXene的成功制备。
3. X射线光电子能谱（XPS）：分析了MXene@SiC@PANI的元素组成和化学状态，揭示了Ti、Si、C、Co、O、N和P元素的存在。
4. 热导率（TC）测量：发现TPU/MXene@SiC@PANI复合材料具有最高的热导率值0.43 W m−1 K−1，表明了良好的热传导网络的形成。
5. 抗菌效率测试：TPU/MXene@SiC@PANI复合材料对E. coli的抗菌效率在12小时和24小时分别达到69.6%和对S. aureus的抗菌效率达到88.9%，显示出优异的抗菌性能。
6. 极限氧指数（LOI）测试：评价了TPU复合材料的阻燃性能，发现MXene@SiC@PANI的LOI值提高到26.2%，表明了良好的阻燃效果。
7. 锥形量热测试：评估了TPU复合材料的燃烧行为，TPU/MXene@SiC@PANI复合材料的峰值热释放率（pHRR）和总热释放（THR）分别比纯TPU降低了71.4%和34.6%。
8. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和3D TG-FTIR：分析了TPU及其复合材料的热解产物，发现添加MXene@SiC@PANI改变了TPU的热解行为，减少了热解产物的排放。
9. 拉曼光谱：研究了TPU及其复合材料的碳层石墨化程度，TPU/MXene@SiC@PANI具有最低的ID/IG值，表明其具有更好的石墨化程度和阻燃性能。

总结：
本文通过尺寸失配和协同剥离策略成功制备了单层MXene，并以其为基底制备了MXene@SiC@PANI纳米复合材料，显著提高了TPU的热导率、阻燃性和抗菌性，同时保持了TPU的机械性能。这一研究为制备多功能热塑性聚氨酯材料提供了一种新策略。

展望：
1. 未来的研究应关注MXene@SiC@PANI纳米复合材料在实际应用中的长期稳定性和耐久性。
2. 探索MXene@SiC@PANI的规模化生产方法，以降低成本并提高产量，满足工业应用的需求。
3. 研究该材料在不同环境条件下的性能，如高温、高湿等，以评估其在各种应用场景下的适用性。
4. 进一步探索MXene@SiC@PANI在其他领域的应用潜力，如传感器、能源存储和转换等。

Joint Exfoliation of MXene by Dimensional Mismatched SiC/ZIF-67 Toward Multifunctional Flame Retardant Thermoplastic Polyurethane
文章作者：Xue Bi, Kunpeng Song, Zeqi Zhang, Tao Lin, Ye-Tang Pan, Wangyang Fu, Pingan Song, Jiyu He, Rongjie Yang
DOI：10.1002/smll.202403375
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202403375

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。