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  熱塑性聚氨酯（TPU）是最常用的彈性體之一，是一種由硬段和軟段組成的多嵌段共聚物。具有優(yōu)異的耐磨性、加工性、透明性、可回收性，并廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療器械、管材、體育用品等。但抗拉強(qiáng)度低、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用。MXene系列材料因其優(yōu)異的固有導(dǎo)電性和化學(xué)活性表面而被廣泛用于超級電容器，電磁屏蔽，傳感器，電池，導(dǎo)熱和阻燃應(yīng)用中。此外，根據(jù)理論預(yù)測，MXene具有與石墨烯相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能，這些獨(dú)特的特性使MXene成為用于聚合物的理想納米填料。因此，研究MXene/TPU的機(jī)械，熱力學(xué)和流變學(xué)特性就顯得尤為重要。然而，到目前為止，卻很少有人研究MXene對聚合物的增強(qiáng)增韌效果。

  鄭州大學(xué)申長雨院士和劉春太教授團(tuán)隊(duì)通過熔融共混TPU和聚乙二醇預(yù)處理的MXene納米片得到了MXene/TPU納米復(fù)合材料，其具有優(yōu)異的表面結(jié)合力和機(jī)械性能，熱性能和流變性能，以“Mechanical, thermal and rheological properties of Ti₃C₂T_x MXene/ thermoplastic polyurethane nanocomposites”為題發(fā)表在在期刊Macromolecular Materials and Engineering上。

  為了制備具有均勻分散的MXene納米片的MXene/TPU納米復(fù)合材料，本文使用PEG對MXene進(jìn)行了預(yù)處理并進(jìn)行了表征，其結(jié)果表明被PEG預(yù)處理過的MXene可以有效的擴(kuò)大MXene片之間的間距，同時引入了大量的極性基團(tuán)。

圖1. （a）MAX和（b）MXene納米片的SEM圖，（c） MXene納米片的AFM圖， MAX、 MXene、PEG@MXene的（d）1D-WAXD曲線和（e）FTIR曲線，（f）MXene粉末和（g） MXene水分散液的廷德爾效應(yīng)。

  通過熔融共混的方法制備了MXene/TPU復(fù)合材料，其FTIR分析和SEM分析結(jié)果表明，由于PEG的加入, MXene和TPU之間形成了大量的氫鍵，這有效的增大了MXene和TPU的界面結(jié)合力, 同時MXene納米片在MXene/TPU納米復(fù)合材料中也表現(xiàn)出了比較良好的分散性。

圖2. 不同含量的MXene/TPU復(fù)合材料在（a）3500-3100 cm^-1和（b）1800-1650 cm^-1范圍內(nèi)的FTIR光譜，（c）羰基拉伸區(qū)域曲線擬合圖，（d）TPU/MXene復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3. 不同含量的MXene/TPU復(fù)合材料的SEM圖（a-f）和紅色區(qū)域的放大圖（g）及（h）c和（j）Ti元素EDS圖。

  另外通過各種測試手段研究了MXene對TPU的機(jī)械性能，熱性能和流變性能的影響，結(jié)果表明，在MXene含量為0.5 wt%時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別提高了41.2%和15.4%。同時MXene的加入有效地阻礙了高溫下小氣體分子的轉(zhuǎn)移。MXene/TPU納米復(fù)合材料的流變測試結(jié)果也表明MXene的加入顯著增強(qiáng)了復(fù)合材料的粘彈性。

圖4. MXene/TPU復(fù)合材料的（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）拉伸強(qiáng)度，拉伸模量和斷裂伸長率。

圖5. MXene/TPU復(fù)合材料的（a）儲能模量,（b）復(fù)合粘度,（c）Han圖和（d）Van Gurp-Palmen 圖。

  結(jié)果表明，PEG預(yù)處理的MXene可以同時增強(qiáng)和增韌復(fù)合材料，這是獲得具有更好機(jī)械性能的納米復(fù)合材料的有效方法，對于熱性能的研究表明了MXene/TPU復(fù)合材料在導(dǎo)熱和阻燃方面應(yīng)用的巨大潛在發(fā)展前景。流變測試結(jié)果也表明了隨著MXene的加入，該納米復(fù)合材料的粘彈性都呈現(xiàn)上升的趨勢，這對MXene基復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

  鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心的碩士研究生高清森是該論文的第一作者，申長雨院士和劉憲虎博士為共同通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學(xué)科學(xué)基金的資助。

  原文鏈接: Qingsen Gao, Mingjie Feng, En Li, Chuntai Liu, Changyu Shen*, Xianhu Liu*, Mechanical, thermal and rheological properties of Ti₃C₂T_xMXene/ thermoplastic polyurethane nanocomposites, Macromolecular Materials and Engineering, 11 August 2020, 305, 2000343. 

  https://doi.org/10.1002/mame.202000343