熔融共混MXene/TPU复合材料力学和流变性能研究
热塑性聚氨酯（TPU）是最常用的弹性体之一，是一种由硬段和软段组成的多嵌段共聚物。具有优异的耐磨性、加工性、透明性、可回收性，并广泛应用于汽车、医疗器械、管材、体育用品等。但抗拉强度低、导热系数低等特点限制了其广泛应用。MXene系列材料因其优异的固有导电性和化学活性表面而被广泛用于超级电容器，电磁屏蔽，传感器，电池，导热和阻燃应用中。此外，根据理论预测，MXene具有与石墨烯相当的机械性能，这些独特的特性使MXene成为用于聚合物的理想纳米填料。因此，研究MXene/TPU的机械，热力学和流变学特性就显得尤为重要。然而，到目前为止，却很少有人研究MXene对聚合物的增强增韧效果。
我们通过熔融共混TPU和聚乙二醇预处理的MXene纳米片得到了MXene/TPU纳米复合材料，其具有优异的表面结合力和机械性能，热性能和流变性能，文章以“Mechanical, thermal and rheological properties of Ti3C2Tx MXene/ thermoplastic polyurethane nanocomposites”为题发表在在期刊Macromolecular Materials and Engineering上。
为了制备具有均匀分散的MXene纳米片的MXene/TPU纳米复合材料，本文使用PEG对MXene进行了预处理并进行了表征，其结果表明被PEG预处理过的MXene可以有效的扩大MXene片之间的间距，同时引入了大量的极性基团。
图1. （a）MAX和（b）MXene纳米片的SEM图，（c） MXene纳米片的AFM图， MAX、 MXene、PEG@MXene的（d）1D-WAXD曲线和（e）FTIR曲线，（f）MXene粉末和（g） MXene水分散液的廷德尔效应。
通过熔融共混的方法制备了MXene/TPU复合材料，其FTIR分析和SEM分析结果表明，由于PEG的加入, MXene和TPU之间形成了大量的氢键，这有效的增大了MXene和TPU的界面结合力, 同时MXene纳米片在MXene/TPU纳米复合材料中也表现出了比较良好的分散性。
图2. 不同含量的MXene/TPU复合材料在（a）3500-3100 cm-1和（b）1800-1650 cm-1范围内的FTIR光谱，（c）羰基拉伸区域曲线拟合图，（d）TPU/MXene复合材料的微观结构示意图。
图3. 不同含量的MXene/TPU复合材料的SEM图（a-f）和红色区域的放大图（g）及（h）c和（j）Ti元素EDS图。
另外通过各种测试手段研究了MXene对TPU的机械性能，热性能和流变性能的影响，结果表明，在MXene含量为0.5 wt%时，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了41.2%和15.4%。同时MXene的加入有效地阻碍了高温下小气体分子的转移。MXene/TPU纳米复合材料的流变测试结果也表明MXene的加入显著增强了复合材料的粘弹性。
图4. MXene/TPU复合材料的（a）应力-应变曲线，（b）拉伸强度，拉伸模量和断裂伸长率。
图5. MXene/TPU复合材料的（a）储能模量,（b）复合粘度,（c）Han图和（d）Van Gurp-Palmen 图。
结果表明，PEG预处理的MXene可以同时增强和增韧复合材料，这是获得具有更好机械性能的纳米复合材料的有效方法，对于热性能的研究表明了MXene/TPU复合材料在导热和阻燃方面应用的巨大潜在发展前景。流变测试结果也表明了随着MXene的加入，该纳米复合材料的粘弹性都呈现上升的趋势，这对MXene基复合材料的工业化生产提供了实验基础和理论指导。
我中心的硕士研究生高清森是该论文的第一作者，申长雨院士和刘宪虎博士为共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学科学基金的资助。
论文信息: Qingsen Gao, Mingjie Feng, En Li, Chuntai Liu, Changyu Shen*, Xianhu Liu*, Mechanical, thermal and rheological properties of Ti3C2Tx MXene/ thermoplastic polyurethane nanocomposites, Macromolecular Materials and Engineering, 11 August 2020, 305, 2000343. https://doi.org/10.1002/mame.202000343.
