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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。具有優異的耐磨性、加工性、透明性、可回收性，并廣泛應用于汽車、醫療器械、管材、體育用品等。但抗拉強度低、導熱系數低等特點限制了其廣泛應用。MXene系列材料因其優異的固有導電性和化學活性表面而被廣泛用于超級電容器，電磁屏蔽，傳感器，電池，導熱和阻燃應用中。此外，根據理論預測，MXene具有與石墨烯相當的機械性能，這些獨特的特性使MXene成為用于聚合物的理想納米填料。因此，研究MXene/TPU的機械，熱力學和流變學特性就顯得尤為重要。然而，到目前為止，卻很少有人研究MXene對聚合物的增強增韌效果。

  鄭州大學申長雨院士和劉春太教授團隊通過熔融共混TPU和聚乙二醇預處理的MXene納米片得到了MXene/TPU納米復合材料，其具有優異的表面結合力和機械性能，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納米復合材料，本文使用PEG對MXene進行了預處理并進行了表征，其結果表明被PEG預處理過的MXene可以有效的擴大MXene片之間的間距，同時引入了大量的極性基團。

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。

  通過熔融共混的方法制備了MXene/TPU復合材料，其FTIR分析和SEM分析結果表明，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的界面結合力, 同時MXene納米片在MXene/TPU納米復合材料中也表現出了比較良好的分散性。

圖2. 不同含量的MXene/TPU復合材料在（a）3500-3100 cm^-1和（b）1800-1650 cm^-1范圍內的FTIR光譜，（c）羰基拉伸區域曲線擬合圖，（d）TPU/MXene復合材料的微觀結構示意圖。

圖3. 不同含量的MXene/TPU復合材料的SEM圖（a-f）和紅色區域的放大圖（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的機械性能，熱性能和流變性能的影響，結果表明，在MXene含量為0.5 wt%時，復合材料的拉伸強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移。MXene/TPU納米復合材料的流變測試結果也表明MXene的加入顯著增強了復合材料的粘彈性。

圖4. MXene/TPU復合材料的（a）應力-應變曲線，（b）拉伸強度，拉伸模量和斷裂伸長率。

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

  結果表明，PEG預處理的MXene可以同時增強和增韌復合材料，這是獲得具有更好機械性能的納米復合材料的有效方法，對于熱性能的研究表明了MXene/TPU復合材料在導熱和阻燃方面應用的巨大潛在發展前景。流變測試結果也表明了隨著MXene的加入，該納米復合材料的粘彈性都呈現上升的趨勢，這對MXene基復合材料的工業化生產提供了實驗基礎和理論指導。

  鄭州大學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科學基金的資助。

  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