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    鄭州大學王建峰副教授與王萬杰教授團隊在聚合物/MXene導熱、隔熱、阻燃防火及電/光熱轉換復合材料方面取得系列進展
    2020-06-08  來源:高分子科技

      近年來,二維過渡金屬碳化物(MXene)因其諸多優異的性能,已在能源存儲、生物醫用、導電、電磁屏蔽、結構材料、高分子復合材料等領域展現出巨大潛力,受到廣泛關注。近期,鄭州大學王建峰副教授和王萬杰教授團隊在兼顧MXene優異導電和電磁屏蔽性能的同時,研究了MXene在導熱/隔熱/耐熱、阻燃防火、電/光熱轉換等方面的應用,基于MXene構筑了一系列多功能集成的柔性熱管理復合材料,相關工作發表在Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials Interfaces, Composites Part A等國際著名期刊。


    (1)MXene填充構筑聚合物基阻燃抗融滴復合材料


      該文通過共混、浸漬填充、表面涂覆等方法制備了一系列聚合物/MXene復合材料,率先報道了MXene的加入能夠顯著提高易燃聚合物的阻燃和抗融滴性能。其機理是:MXene在燃燒過程(600~700 °C,有氧)會氧化生成TiO2以及C,在聚合物基體表面形成C/TiO2保護層,進而阻止聚合物的燃燒以及融滴的形成,提高易燃聚合物的阻燃抗融滴性能。該研究以題目“New application of MXene in polymer composites toward remarkable antidripping performance for flame retardancy”發表在Composites Part A 上(2019, 127, 105649)。


    圖1. 聚合物/MXene阻燃抗融滴復合材料。


    (2)阻燃、高導電、高導熱的聚乙烯醇/MXene交替多層復合薄膜


      該文通過交替流延法制備了具有交替多層結構的聚乙烯醇/MXene復合薄膜,在MXene總含量為19.5 wt%時,27 μm厚的PVA/MXene多層膜的電導率達到716 S/m,電磁屏蔽效能達到44.4 dB。與此同時,復合薄膜的熱導率達到4.57 W/mK,比純PVA基體提高了23倍,且交替層狀結構存在的MXene,賦予了PVA基體優異的阻燃抗融滴性能。研究結果為構筑兼具高導電和高導熱性能的聚合物基復合材料提供了新的思路,同時也為基于MXene構筑導熱/散熱材料提供了理論與實踐指導。該研究以題目“Flame-retardant poly(vinyl alcohol)/MXene multilayered films with outstanding electromagnetic interference shielding and thermal conductive performances”發表在Chemical Engineering Journal上(2020, 380, 122475,ESI高被引論文)。


    圖2. 阻燃、高導電、高導熱的聚乙烯醇/MXene交替多層復合電磁屏蔽薄膜。


    (3)防火、電磁屏蔽、各向異性高導熱的MXene/MMT復合薄膜


      該文采用真空輔助抽濾法制備了一種防火、電磁屏蔽、各向異性高導熱的MXene/MMT復合薄膜。少量MMT納米片的引入不僅能夠誘導MXene高度有序致密排列,同時還能顯著提高MXene的耐熱和抗氧化能力。當MXene與MMT質量比為9:1時,復合薄膜的面內熱導率達到28.8 W/mK,比純MXene薄膜的面內熱導率(15.3 W/mK)提高了88%,而復合薄膜面外熱導率(0.27 W/mK)比純MXene薄膜降低了16%,賦予復合薄膜高的各向異性指數(107)。而且,該復合薄膜保持了高電導率(4420 S/m)、呈現出以吸收為主的電磁屏蔽性能,其在X波段的電磁屏蔽效能達到67 dB。該復合薄膜同時展現出的高電磁屏蔽和高導熱性能,遠高于絕大部分已報道的導熱型電磁屏蔽材料。同時,該復合薄膜還具有良好的耐熱和防火性能,在酒精燈上燃燒2分鐘后形狀沒有變化,燃燒2分鐘后依然可以作為導線使與其連接的LED燈保持點亮狀態。此外,該復合薄膜還具有優異的電熱轉換性能,施加4.5V的直流電壓,復合薄膜的表面溫度可快速升至112°C,且經過長時間和多次循環后依然保持良好的電熱轉換性能。制得的MXene/MMT復合薄膜在散熱、隔熱、防火、電磁屏蔽、電熱除冰、柔性可穿戴加熱器等領域具有巨大的應用潛力。該研究近日以題目“Multifunctional MXene-Based Fireproof Electromagnetic Shielding Films with Exceptional Anisotropic Heat Dissipation Capability and Joule Heating Performance”發表在ACS Applied Materials & Interfaces上(2020 doi.org/10.1021/acsami.0c05692)。


    圖3. 多功能MXene/MMT復合薄膜。


    圖4. MXene/MMT復合薄膜的形貌、導電、電磁屏蔽及各向異性導熱性能。


    圖5. MXene/MMT復合薄膜的耐熱、耐火及隔熱性能。


    圖6. MXene/MMT復合薄膜的電熱轉換及電熱除冰性能。


    (4)多功能集成的電熱/光熱雙驅動聚合物/MXene復合織物加熱器


      近年來,可穿戴加熱器在保溫、熱療、除冰、傳感等領域顯示出巨大應用潛力。質輕、舒適和透氣的織物基可穿戴加熱器成為當下研究重點與熱點,為滿足更高要求的可穿戴性提供了可能。盡管織物基可穿戴加熱器取得了可喜的進展,但依然存在驅動能源單一、熱響應慢、加熱溫度范圍窄等問題。此外,在實際使用過程中,可穿戴加熱器使用者面臨著電磁輻射污染、細菌交叉感染及熱失效引起的火災等潛在威脅。


      近日,鄭州大學王建峰副教授與王萬杰教授團隊采用溶液浸漬法,成功制備了兼具阻燃、抗菌、電磁屏蔽功能的電/光雙驅動聚合物/MXene(M-textile)復合織物加熱器。MXene納米片在氫鍵作用和物理插入的雙重作用下緊密的包覆在聚合物纖維表面,并保持了原始織物良好的透氣性和舒適性。在MXene含量為17.3 wt%時,M-textile織物的電導率達到117 S/m,在1~3.5 V的低驅動電壓下可實現40~174 °C的寬加熱范圍,且具有優異的耐久性、耐用性和加熱穩定性,在長時間循環、大形變及水洗后,依然保持良好的電熱性能。而且,M-textile織物在不同波長(近紅外光、遠紅外光、自然光)光源照射下呈現出快速、靈敏的光熱轉換效果,其加熱溫度范圍可達40~204 °C,并在水洗、大變形、長時間加熱后依然保持良好的光熱轉換效果。與此同時,M-textile基可穿戴加熱器還具有優異的電磁屏蔽(42.1 dB,X波段)、阻燃和抗菌性能。該文為實現復雜條件下快速、安全、靈敏的熱量轉換提供了可行性和新的思路,制得的M-textile加熱器在保溫、熱療、除冰、防火和抗菌等方面具有巨大應用價值。該研究近日以題目“Air-permeable, multifunctional, dual-energy-driven MXene-decorated polymeric textile-based wearable heater with exceptional electrothermal and photothermal conversion performance”發表在Journal of Materials Chemistry A上(2020, doi.org/10.1039/D0TA03048A)。


    圖7. 多功能集成的電熱/光熱雙驅動聚合物/MXene復合織物加熱器。


    圖8. M-textile基可穿戴加熱器制備流程及其形貌、水洗、透氣性。


    圖9. M-textile基可穿戴加熱器的電熱轉換及電熱除冰性能。


    圖10. M-textile基可穿戴加熱器在近紅外光(a)、遠紅外光(b)和太陽光(c-f)照射下的光熱轉換性能。


    圖11. M-textile基可穿戴加熱器電磁屏蔽性能(a-e)和抗菌性能(f-g)測試。


      以上論文第一作者分別為2018級碩士研究生李雷劉曉雅,通訊作者為鄭州大學王建峰副教授王萬杰教授。研究得到中國博士后科學基金、河南省重點研發與推廣專項、高分子材料工程國家重點實驗室開放基金、鄭州大學人才引進啟動基金等項目資助,同時感謝四川大學郭少云教授吳宏教授、浙江大學柏浩教授、西南大學王明教授及美國康涅狄格大學孫陸逸教授對上述研究工作的支持。


      原文鏈接:
      https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19303987

      https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894719318789

      https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c05692

      https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/TA/D0TA03048A#!divAbstract

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