阻燃 | 周克清教授Composites Part B | 二维双过渡金属碳化物（MoTi）在聚合物材料中的阻燃性能初探

近日，中国地质大学（武汉）周克清教授课题组在国际知名期刊Composites Part B: Engineering上发表题为“Novel exploration of the flame retardant potential of bimetallic MXene inepoxy composites”文章。该文章从MXene的组成成分入手，对比探究了单过渡金属组分的Ti3C2Tx MXene和双过渡金属组分的Mo2Ti2C3TxMXene对环氧树脂复合材料阻燃性能的影响，并探讨了相关的阻燃机理。

作为一种类石墨烯结构的材料，以Ti3C2Tx为代表的MXene具有出色的热性能、催化作用以及片状阻隔效应，展示出了良好的阻燃潜力。本研究基于协同阻燃理念，从MXene的组成出发，利用酸性溶液蚀刻法制备出双金属组分的Mo2Ti2C3TxMXene和单金属组分的Ti3C2TxMXene纳米片，并将其引入环氧树脂中，比较研究了两种MXene材料在环氧树脂复合材料中的阻燃效果。结果表明，在加入1wt%的Mo2Ti2C3TxMXene后，环氧树脂复合材料的最大质量损失率降低了39.4%；燃烧过程中的热释放峰值下降34%，烟气释放峰值下降32.7%，总烟气释放量下降57.7%，一氧化碳释放峰值下降30.8%，显著优于EP/Ti3C2Tx复合材料。这主要是由于Mo2Ti2C3TxMXene中的过渡金属Mo-Ti元素产生的催化衰减、催化炭化作用以及纳米片层的阻隔作用。该研究进一步拓展了MXene在复合材料阻燃领域的应用。

研究要点

研究要点1：

通过刻蚀、有机插层、超声剥离流程制备了两种不同金属组分的MXene纳米片Ti3C2TxMXene和Mo2Ti2C3TxMXene。得到的单层或少层的MXene纳米片具有良好的热稳定性，氮气氛围下升温到800℃，Ti3C2TxMXene仅有8.6%的质量损失，Mo2Ti2C3TxMXene具有16.5%的损失。MXene在空气中受热会氧化形成金属氧化物并附着在片层表面；此外，MXene展示出良好的结构稳定性，受热后仍保持了片层结构的特点，不仅可以在聚合物燃烧过程中发挥过渡金属氧化物的催化作用，同时片层结构会产生阻隔作用，实现复合材料良好的阻燃效果。

研究要点2：

本研究讨论了添加Ti3C2TxMXene和Mo2Ti2C3TxMXene后环氧树脂复合材料燃烧性能，对复合材料燃烧过程中的热量、烟气的生成情况进行了分析，并提出了MXene在环氧树脂材料中的阻燃机理。研究结果表明，与纯环氧树脂和环氧树脂/Ti3C2Tx MXene复合材料相比，环氧树脂/Mo2Ti2C3TxMXene复合材料具有更低的热释放峰值和总热释放量；同时具有更低的烟气释放峰值、一氧化碳释放峰值、总烟气释放量等，实现了更好的烟气抑制效果。另外，环氧树脂/Mo2Ti2C3TxMXene复合材料具有更高的残炭产量，形成的炭层更加致密，稳定性更好。可见，双过渡金属Mo2Ti2C3TxMXene的阻燃效果明显优于Ti3C2Tx MXene。MXene所包含的过渡金属可在聚合物燃烧时催化促进环氧树脂链的提前炭化，在聚合物基质表面形成保护性炭层，有效阻止可燃物的挥发和热量的交换，降低了复合材料的燃烧速率，同时结合片层结构的阻隔作用获得了更好的阻燃效果。而Mo2Ti2C3TxMXene中的双过渡金属的催化效果优于单过渡金属组分的Ti3C2Tx MXene，燃烧释放的热量和烟气产量更低，形成的炭层更多且致密度更好，可实现更好的阻燃效果。

图1 MXenes的制备流程图

图2 Ti3C2TxMXene（a）和Mo2Ti2C3TxMXene（b）的AFM图片；在氮气（c）和空气（d）氛围下的MXenes热重数据图；MXenes在500℃下煅烧0.5h后残炭的XRD图谱（e）和SEM图片：Ti3C2TxMXene（f和g）和Mo2Ti2C3TxMXene（h和i）

图 3环氧树脂复合材料锥形量热测试数据：热释放速率（a）、总热释放量（b）、烟产生速率（c）、总烟释放量（d）、一氧化碳释放速率（e）和二氧化碳释放速率（f）

图 4 环氧树脂/Ti3C2TxMXene复合材料、环氧树脂/Mo2Ti2C3TxMXene复合材料的阻燃机理图