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MXene阻燃材料的制备与改性技术研究进展

陶鹏旭 ,  杨菲 ,  冉颖 ,  朱家伟 ,  杜春贵

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 42 -47.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 42-47. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.009
技术进展

MXene阻燃材料的制备与改性技术研究进展

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Research progress on preparation and modification technologies for MXene flame retardant materials

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摘要

详细阐述了MXene阻燃材料的阻燃机理、制备工艺与性能、改性技术等的研究进展,重点阐述了MXene阻燃材料通过插层改性、官能团改性和原子掺杂改性等的研究进展,并对MXene阻燃材料发展前景进行了展望。

Abstract

This review expounds the research advances in the flame retardant mechanism,preparation process,performance and modification technologies of MXene flame retardant materials,with focus on intercalation modification,functional group modification,and atom doping modification.It also looks forward to the development prospect of MXene flame retardant materials.

Graphical abstract

关键词

MXene / 改性技术 / 制备工艺 / 阻燃机理 / 阻燃材料

Key words

MXene / modification technology / preparation process / flame retardant mechanism / flame retardant material

Author summay

陶鹏旭(2000-),男,硕士生

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陶鹏旭,杨菲,冉颖,朱家伟,杜春贵. MXene阻燃材料的制备与改性技术研究进展[J]. , 2025, 45(11): 42-47 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.009

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MXene即二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物[1],是利用MAX相中A片层与MX片层之间的弱结合力,选用合适的刻蚀剂(如HF、LiF+HCl、NH4HF2等)将MAX相中的A原子层剥蚀而制备的一种新型的具有类石墨烯结构的二维纳米层状材料,化学通式为Mn+1XnTx(n=1,2或3)[2],其中M代表过渡金属元素,X代表碳、氮或者碳氮,Tx代表表面端基(=O、—OH或—F等)[3]。
MXene片层间距的可变化性和表面官能团的可调控性[3]是MXene结构的基本特点。故人们可将某些具有特定功能的客体分子嵌入MXene的层间空隙中形成夹层结构,可显著增大MXene的层间距,组装形成各种新型插层结构功能材料,从而满足人们对不同材料的不同功能要求[4];也可根据不同的用途、性能和应用场景选择不同种类或比例的官能团,对其组成或结构进行相应的调控或改性,从而得到不同功能或不同类型的MXene。此外,MXene还具有丰富的化学性质[3]、较强的表面亲水性[2]、良好的金属导电性[3]和能量存储性能[1]等优点。因此,MXene在电磁屏蔽[3]、催化应用[1]、传感器技术[3]、阻燃材料等领域具有十分广阔的应用前景。
MXene作为阻燃剂具有阻隔防火、催化成炭、自由基捕获、可功能改性、火灾预警和环保低毒等优点。近年来,将MXene应用于阻燃的研究日益受到国内外学者的关注和重视,特别是利用MXene制备新型阻燃材料呈现快速增长的态势。但是MXene也存在一些缺点:MXene表面存在暴露的金属原子,极易被氧化使结构破坏;MXene在制备和应用过程中片层容易堆叠;MXene机械强度不足;MXene在非极性聚合物或弱极性聚合物中的相容性较差[1],无法高效提升材料的阻燃性能。为了克服MXene的有关缺点,国内外学者进行了一些MXene阻燃剂的改性研究,并取得了一定的成效。目前,已有一些MXene结构、性质、合成和应用等的研究报道,但有关MXene在材料阻燃领域研究与应用的综述报道仍不多,鲜见MXene改性技术在材料阻燃中的综述报道。因此,本文中详细阐述了MXene阻燃材料的制备与改性技术研究进展,并对其应用前景进行了展望,为MXene阻燃材料的大力研究与推广应用提供参考。

1 MXene阻燃材料的阻燃机理

目前,MXene阻燃材料的阻燃机理[5]主要有2种(图1)。

1.1 物理屏障(固相)效应

MXene的二维层状结构可以在材料表面形成一种类似隔热屏障的结构,有效地隔离燃烧区域并减缓热量传递,从而降低材料的热分解速率;或通过催化炭化作用形成稳定致密的炭层以隔离热量和氧气,阻碍火焰的扩散和燃烧物质的释放[6];同时,MXene的引入能显著提高基体材料的热稳定性和力学性能,使得材料在高温下能够保持结构完整性。

1.2 气相阻燃效应

MXene在燃烧过程中展现出优异的自由基捕获能力,释放的锐钛矿TO2颗粒可以作为催化剂,具有协效阻燃功效,有助于形成致密炭层,隔绝氧气与热量,进而阻止聚合物的燃烧以及融滴的形成,提高复合材料的阻燃抗融滴性能,且能够衰减烟与有毒气体[6]。此外,MXene的催化特性有助于将一氧化碳(CO)和各种碳氢化合物等有毒气体转化为无害的副产品,即二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O),从而降低环境中氧气和可燃挥发物的浓度并延缓燃烧过程[7]。
与其他二维材料(如石墨烯、六方氮化硼等)相比,MXene作为阻燃剂的有效性可以通过用无机物质、功能聚合物和有机分子进行改性来进一步增强。此类改性引入了额外的功能,可提高MXene的热稳定性、催化效果和与聚合物的相容性。过渡金属的加入增强了碳化和炭的稳定性,而有机改性和聚合物链(尤其是来自生物质的聚合物链)的负载可确保在聚合物基质内更好地分散[8],这可带来卓越的机械性能和阻燃性。此外,磷、硫和硅等元素的加入有助于形成坚固的炭层,从而更有效地隔离氧气、热量和可燃气体;生物质的加入可进一步增加炭层的密度,增强其保护能力[9]。

2 MXene阻燃材料的制备工艺与性能

MXene阻燃材料的制备工艺一般分为3个步骤:①MXene的制备,选择适当的MAX前驱体(Ti3AlC2、V2AlC、Ti2AlC等),将MAX相中的“A”层蚀刻(氢氟酸蚀刻、酸/氟盐蚀刻、盐酸蚀刻等)制备得到MXene[2];②MXene的改性,通过物理或化学方法对MXene进行表面改性,以改善与聚合物的相容性,提高MXene阻燃材料的阻燃性能,这些改性方式可以分为有机材料改性、无机材料改性、有机/无机混合改性和功能聚合物链装饰[10]等;③MXene阻燃材料的制备,将改性后的MXene通过多种结构设计(包括层压结构、蜂窝结构和交替层压结构等)与聚合物基体混合,大多数MXene阻燃材料仍然主要通过溶液法制备,如浇铸/蒸发、逐层组装、真空辅助过滤、冷冻干燥、浸涂等制备,制得的阻燃材料大多为薄膜、织物或气凝胶形式[11]。目前,有关 MXene阻燃材料的研究主要有MXene阻燃塑料、MXene阻燃木竹材、MXene阻燃气凝胶等几种。

2.1 MXene阻燃塑料

目前,塑料制品的应用涵盖了人们日常生活的方方面面,不仅在轻工市场、日用装潢、照明指示和包装等领域有着重要的应用,而且在电子电器、汽车工业、机械工业等领域得到了广泛应用。然而,塑料大多属于易燃材料,容易着火引发火灾事故,因而对塑料进行阻燃处理就显得不可或缺。目前,有关MXene阻燃塑料的研究报道仍不多,亟待大力开展。
Zhou等[5]探究了经9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)化学修饰后的MXene纳米片对聚乳酸(PLA)阻燃性的影响[图2(a)]。结果表明,当添加质量分数3.0%的Ti3C2-DOPO时,PLA/Ti3C2-DOPO复合材料的峰值热释放速率(pHRR)下降了33.7%,总热释放量(THR)下降了47%,峰值一氧化碳生成量(pCOP)降低了58.8%,总烟生成量(TSP)降低了41.7%,显著增强了PLA复合材料的阻燃性能,且能保持甚至增强其机械性能。Jiang等[12]制备了聚磷腈功能化Ti3C2Tx纳米片(MXene-PZN),并添加到环氧树脂(EP)中,制备了EP/MXene-PZN复合材料[图2(b)]。结果表明,在EP基体中添加质量分数2%的MXene-PZN改善了MXene-PZN纳米片在EP基体中的相互作用和分散性;EP/MXene-PZN-2.0的峰值热释放速率(pHRR)和总热释放量(THR)分别比纯EP降低了44.8%和54.8%,极限氧指数(LOI)增大。Zhu等[13]研究了经过二吡咯烯(BODIPY)改性后的 MXene纳米片对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂的力学性能和阻燃性能的影响。结果表明,当BODIPY-MXene的添加量为质量分数0.5%时,ABS树脂的极限氧指数(LOI)增加;峰值热释放速率(pHRR)、烟气产生率(SPR)和有毒气体浓度下降;同时ABS的力学性能有所提高。

2.2 MXene阻燃木竹材

木竹材作为绿色可再生的环境友好型材料,在建筑、装修装饰和家具等领域已得到广泛应用。但是,木竹材属于可燃材料,极易燃烧引发建筑火灾,从而造成较大的人员伤亡和财产损失,故阻燃木竹材的研究具有十分重要的意义。目前,阻燃木质材料需求愈渐强烈,但MXene阻燃木竹材的相关研究极少,亟待大力开展。
Zhao等[14]研制了一种新型的高保水自愈性聚乙烯醇(PVA)/植酸(PA)/MXene水凝胶涂料,并涂覆在木材表面[图3(a)]。研究表明,与未处理木材相比,热释放速率(HRR)和总热释放量(THR)分别降低41.6%和36.14%,MXene纳米片对可燃气体产物、热量和氧气的物理阻隔作用,以及燃烧过程中形成的致密炭层是增强木材阻燃性的关键。Zhang等[15]把纤维素纳米晶体(CNC)嵌入MXene网络中,通过聚多巴胺(PDA)实现基于MXene的火灾警告涂层在木材表面的稳定黏合[图3(b)]。结果表明,基于MXene的涂层提供了更致密、更膨胀的物理屏障,具有优异的阻燃效果和出色的抑烟性能。Yang等[16]以MXene、聚磷酸铵(APP)和竹片为原料,通过低温蒸发诱导自组装构建了一种具有阻燃、火灾预警和光热杀菌性能的竹基火灾报警传感器(AM@TB)。结果表明,与竹基材(TB)相比,AM@TB的阻燃性能显著提高,极限氧指数(LOI)为61.4%,比TB高出65.8%;峰值热释放速率(pHRR)与TB相比降低了80.3%;AM@TB的残留质量为34.5%,是TB的1.6倍。

2.3 MXene阻燃气凝胶

气凝胶因极小的密度和优异的隔热性能,在保温隔热领域具有广阔的应用前景,但大多数气凝胶遇火易燃烧,因此对其进行阻燃处理十分必要。MXene在气凝胶阻燃方面的应用越来越广。
Wang等[17]制备了阻燃热塑性聚氨酯(TPU)增强细菌纤维素(BC)/MXene/改性碳化硅纳米线(MSiCnw)气凝胶复合材料(BMSTFRs)[图4(a)]。结果表明,BMSTFRs的峰值热释放速率(pHRR)降低69.8%、残炭率显著上升、FRI值获得提高,达到优质阻燃材料的标准;此外,所合成的气凝胶复合材料具有优异的力学性能。Wu等[18]研究了硅烷修饰的MXene纳米片对聚苯并唑(F-MP)纳米复合气凝胶阻燃性能的影响[图4(b)]。结果表明,引入(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(APTES)硅烷分子修饰后的MXene薄片具有良好的分散性;制备的F-MP纳米复合气凝胶具有良好的热稳定性且极限氧指数(LOI)达到50%;F-MP纳米复合气凝胶在不同火源下也表现出优异的阻燃性能。

3 MXene阻燃材料的改性技术

MXene的缺点是:表面存在暴露的金属原子,极易被氧化使结构破坏;MXene在制备和应用过程中片层容易堆叠;MXene在非极性聚合物或弱极性聚合物中的相容性较差等,这些缺点对MXene阻燃材料应用造成了极大的不利影响。因此,针对 MXene易氧化、片层易堆叠及其与聚合物基体相容性较差等问题,需要对MXene进行表面改性和功能化来提高性能,并赋予其新的功能。目前,MXene常用的改性方法有插层改性、官能团改性、原子掺杂改性等。

3.1 插层改性

通过在MXene的层间插入不同的分子或离子,以氢键或静电相互作用相结合,从而增加层间距,使其暴露出更多的活性位点,改善材料的电学性能、吸附性能和稳定性。

3.1.1 氢键

通过选择性地去除MAX中的元素,MXene片层表面新出现了丰富的活性端基(—OH、=O和 —F),能够与其他含有氢键供体或受体的分子或材料发生氢键相互作用。氢键改性是一种简单且高效的手段,能够在不显著改变MXene核心结构的基础上,赋予其更多的功能性,提高其在各类新兴材料领域中的应用潜力。Zhou等[5]利用MXene表面丰富的—OH与氰尿酸三聚氰胺(MCA)产生的—NH2形成氢键结合,得到稳定分散的MXene@MCA纳米片[图5(a)]。结果表明,含质量分数3.0% MXene@MCA的热塑性聚氨酯(TPU)纳米复合材料峰值热释放速率(pHRR)降低40%。Jin等[19]利用MXene与聚乙烯醇(PVA)之间的强氢键相互作用,通过多层流延法制备了具有交替多层结构的PVA/MXene薄膜。研究发现,PVA/MXene薄膜具有良好的阻燃性能和防滴落性能[图5(b)]。

3.1.2 静电相互作用

MXene的层状结构和丰富的表面基团使其表面带有负电荷,这为带正电荷的离子、分子或聚合物提供了与之相互吸附的可能性,通过静电吸附,正电荷物质与MXene表面形成稳定的结合,调节其物理和化学性质。静电相互作用是一种高效、灵活的MXene改性方法,能够提升材料的多样性能。Wan等[20]利用ZIF-67纳米粒子中的钴(Co)金属离子中与MXene形成静电相互作用,制备得到Co@MXene杂化体并引入热塑性聚氨酯(TPU)中(图6)。结果表明,当ZIF-67@MXene质量分数仅为0.5%时,与纯TPU相比,TPU/ZIF-67@MXene复合材料的峰值热释放速率(pHRR)降低26%;TPU/ZIF-67@MXene复合材料的优质炭层对热量和有毒气体的传递起到了物理屏障的作用,大大提高了TPU聚合物的阻燃性能。He等[21]将带正电的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)长链附着在带负电的MXene上得到PDDA-MXene,再加入热塑性聚氨酯(TPU)基质中。结果表明,附着的PDDA分子可以充当MXene纳米片的保护层,从而延迟MXene纳米片的氧化;加入质量分数3%的PDDA-MXene后,TPU纳米复合材料的峰值热释放速率(pHRR)降低50%;TPU纳米复合材料的力学性能和热导率也得到了明显提高。

3.2 含氧官能团改性

剥离后的MXene纳米片表面有丰富的含氧官能团(如—OH、=O),可以为共价功能化提供平台,以改变其表面性质和增强与其他物质的相互作用,从而提高复合材料的热稳定性和阻燃性能。这些含氧官能团还能够在高温下分解,形成一层保护性氧化物(如TiO2),从而延缓材料的热分解,并且通过生成的挥发性产物稀释可燃气体的浓度,进一步提高阻燃性能。Wang等[22]用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)吸引MXene纳米片表面丰富的—OH来改性制得KH-550-MXene薄片[图7(a)]。研究表明,改性后的MXene层间距增加,在环氧树脂(EP)中分散良好;当添加质量分数2.0% KH550-MXene时,EP纳米复合材料具有最佳的阻燃性能,阻燃等级为V-1级。Yan等[23]通过共价键合将多功能笼状聚倍半氧烷(POSS)接枝到MXene表面丰富的含氧官能团上,并制备了聚酰亚胺(PI)/MXene-POSS复合薄膜[图7(b)]。研究发现,MXene-POSS与PI具有良好的相容性;PI/MXene-POSS复合薄膜具有疏水性能,提高了在极端环境中的应用;PI/MXene-POSS复合薄膜还表现出优异的阻燃性,极限氧指数(LOI)从46.5%增加到55.5%。

3.3 原子掺杂改性

原子掺杂是通过将特定的元素(如氮、硼、磷等)掺入到MXene结构中,可以显著提高材料的阻燃性能。掺杂元素通常能够在高温下与其他元素形成阻燃屏障,或者通过捕获自由基来抑制燃烧反应。Ning等[24]在MXene表面沉积纳米二氧化硅(SiO2)制得改性MXene纳米片,并应用于聚乙烯醇(PVA)中。研究表明,m-MXene在PVA中具有良好的分散性,当m-MXene的添加量为质量分数2.0%时,m-MXene/PVA纳米复合材料的峰值热释放速率(pHRR)比纯PVA降低34.9%,极限氧指数(LOI)达到25.9%。Wei等[25]通过原位组装三聚氰胺植酸大分子(MPA),合成了磷氮修饰的MXene纳米杂化物(MXene@MPA),以提高环氧树脂(EP)复合材料的防火性能。结果表明,MPA的引入改善了 MXene在EP中的分散性;与纯EP相比,当添加质量分数2% MXene@MPA时EP-MXene@MPA复合材料的峰值热释放速率(pHRR)和峰值烟气产生率(pSPR)分别降低了27.9%和43.6%。

4 展望

近年来,MXene在材料阻燃的相关研究也取得了不错的成效,MXene在材料阻燃领域具有十分广阔的推广应用前景。但是,MXene阻燃材料的制备与改性技术研究仍处于起步阶段,要实现大规模工业化生产和广泛推广应用,目前仍面临着不少困难和挑战,还有诸多问题有待解决。
(1)MXene的制备成本高、产率低。目前,MXene阻燃剂的制备成本和售价远高于磷系、氮系、硅系等阻燃剂;此外,刻蚀剥离法仍是MXene众多制备方法中的最优方法之一,但产率较低。这些问题阻碍了MXene的工业化生产和推广应用,亟待系统探索MXene的低成本、高效制备方法。
(2)MXene的稳定性差。MXene存在的极易氧化、在制备和应用过程中片层容易堆叠等问题,阻碍了MXene的工业化生产和推广应用,亟待开展 MXene的抗氧化、均匀分散性等改性技术的系统研究,大幅提高MXene的稳定性能。
(3)MXene与聚合物基体的相容性较差。MXene具有丰富的表面官能团(如—OH、—F、=O等)使其呈极性,而大多数聚合物基体呈现非极性导致两者之间的化学相容性较差阻碍了MXene在聚合物中的广泛应用,亟待深入研发低成本、易制备的改性MXene,增强与聚合物的相容性。
(4)MXene的颜色深。虽然MXene在50 nm以下的成膜厚度呈现透明状,但通常难以实现,大部分MXene颜色呈黑色,限制了MXene在需要具有高反射率或特定颜色的场合的应用。因此,对 MXene调色处理可使其在更广泛的领域中具备适配的光学性能。

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