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  聚乳酸作為一種具有顯著發展潛力的生物基可再生聚合物材料，具有生物降解性、生物相容性、優異的機械性能和加工性能，已在醫療、紡織、包裝和電子設備等領域得到廣泛應用。然而，盡管其優點眾多，但聚乳酸在空氣中極易燃燒，且聚乳酸的熱導率相對較低，這嚴重限制了其在對阻燃性和散熱性有高要求領域的應用。此外，燃燒過程中釋放有害物質（如一氧化碳和煙霧）的情況往往不可避免，對人們的生命和財產構成最致命的威脅。因此，在聚乳酸復合材料的應用中，提高熱穩定性、熱擴散性以及減少燃燒時的熱量和煙霧釋放是關鍵挑戰。

  因此，湘潭大學徐圣教授團隊首次通過靜電自組裝實現了 CMSs 在 MXene 納米片上的均勻負載，合成了MXene/CMSs阻燃材料。這種創新策略有效地解決了 MXene 在聚合物基質中的分散難題，并使其能夠融入聚乳酸(PLA)體系。值得注意的是，僅添加 5wt% 的 MXene/CMSs，PLA/MXene/CMSs 復合材料的機械性能得到改善，且 PLA 復合材料的熱導率提高至 0.31 Wm^-1K^-1，比純 PLA 高出 47.6%。此外，極限氧指數(LOI)提高到了 26.6%，在 UL-94 垂直燃燒測試中達到了 V-0 級。與純聚乳酸(Neat PLA)相比，該復合材料的峰值熱釋放速率(pHRR)和總熱釋放量(THR)分別降低了 28.1% 和 15%。值得注意的是，總煙霧釋放量(TSR)相較于純 PLA 顯著降低了 70.4%。此外，在燃燒過程中形成了更穩定且更致密的炭層。這種改進主要源于阻燃劑在 PLA 基體中的顯著分散效果、MXene 中過渡金屬 Ti 的催化碳化作用以及 CMSs 的高效碳化能力。這項工作為解決聚合物中 MXene 聚集、高阻燃效率、煙霧抑制、熱導率和機械性能之間的權衡問題提供了一種先進且環保的解決方案。

  其成果以題為“Carbon microsphere-modified mXene: A high-efficiency hybrid flame retardant for simultaneously enhancing fire resistance, smoke suppression and thermal conductivity in poly (L-lactic acid)”在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上發表。在讀研究生丁馳捷為本文第一作者，徐圣教授、羅岳講師和張錕講師為共同通訊作者，湘潭大學為第一通訊單位。

圖1. MXene/CMSs的制備流程

  如圖1所示通過水熱合成CMSs、刻蝕制備MXene、靜電組裝雜化物、熔融共混PLA 等核心步驟，最終得到MXene/CMSs阻燃劑，各環節通過精準工藝調控（溫度、時間、分散/洗滌方式等）保障材料結構與性能。

圖 2、 (A) Ti₂AlC₃、CMSs、MXene 和 MXene/CMSs 的 X 射線衍射 (XRD) 圖譜；(B) CMSs、MXene、MXene/CMSs 的傅里葉變換紅外 (FT-IR) 光譜

  如圖2所示，研究人員通過X射線衍射圖譜(XRD)和傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)證實了MXene/CMSs的成功合成且CMSs負載后MXene層間距增大。

圖3. (A) Ti?AlC?的SEM圖像；(B) MXene的SEM圖像；(F) MXene的TEM圖像；(C/D) 不同放大倍率的MXene/CMSs的SEM圖像；(G/H) 不同放大倍率的MXene/CMSs的TEM圖像；(I) MXene/CMSs的HRTEM圖像；(E) MXene/CMSs的EDS-mapping圖像。

  如圖3所示，掃描電鏡(SEM)圖像表面球形CMSs與MXene結合，并在經過CMSs改性后，MXene仍然保持其分層結構；透射電鏡(TEM)圖像顯示CMSs由于靜電吸附緊密地附著在MXene表面；元素分布光譜(EDS mapping)證明了在CMSs在MXene表面的均勻分布。

圖4. (A) MXene/CMSs 復合材料的XPS全譜掃描圖；(B) MXene/CMSs 復合材料的高分辨 C 1s XPS 譜圖；(C) MXene/CMSs 復合材料的高分辨 N 1s XPS 譜圖；(D) MXene/CMSs 復合材料的高分辨 O 1s XPS 譜圖；(E) MXene/CMSs 復合材料的高分辨 Ti 2p XPS 譜圖

  如圖4所示，X射線光電子能譜（XPS）進一步確認了C、N、O和Ti元素在MXene/CMSs中的結構情況，MXene/CMSs 阻燃劑中的鈦以二價到四價的氧化態形式存在，其中 TiO₂ 占主要部分。同時，MXene 和 CMSs 通過靜電自組裝結合，成功制備了表面均勻負載 CMSs 的 MXene 基復合阻燃劑。

圖5. 純 PLA、PLA/MXene 和 PLA/MXene/CMSs 復合材料冷凍脆斷面的SEM圖像

  如圖5所示，通過觀察冷凍脆斷面的SEM圖像得出，PLA/MXene/CMSs斷面更均勻、邊緣更復雜粗糙，說明CMSs 的加入有效改善了 MXene 在 PLA 基體中的分散性和相容性。

圖6. (A) 余熱回收實驗裝置示意圖；(B) 純 PLA、PLA/MXene 和 PLA/MXene/CMSs 復合材料的時間-溫度曲線；(C) 上述材料的紅外熱像圖；(D) 上述材料的導熱系數結果

  如圖6所示，在導熱性能方面，MXene/CMSs阻燃材料表現更為出色。僅添加 5wt% 的 MXene/CMSs，PLA 復合材料的導熱系數提升了47.6%，達到了 0.31 W·m^-1·K^-1。

圖7. 純 PLA、PLA/MXene 和 PLA/MXene/CMSs 復合材料的LOI及UL-94測試結果

  如圖7所示，在阻燃性能方面，添加 5wt% 的 MXene/CMSs體現出良好的阻燃性能，極限氧指數從純PLA的19.2%提升至 26.6%，UL-94測試達到V-0等級。

圖8. (A) 純 PLA、PLA/MXene 和 PLA/MXene/CMSs 復合材料的HRR曲線；(B) THR曲線；(C) TSR曲線；(D) 本研究中 MXene/CMSs 的綜合阻燃性能與文獻報道數據的對比

  如圖8所示，從錐形量熱測試可以看出，MXene/CMSs在較低添加量下(5 wt%)，實現了峰值熱釋放速率(pHRR) 降低了28.1%, 總熱釋放速率(THR) 降低了15%, 總煙霧釋放量(TSR)降低了70.4% 的優異綜合性能，抑煙率尤其突出。同時與多種現有阻燃劑進行了對比，體現出MXene/CMSs具有良好的阻燃抑煙性能。

圖9.純PLA、PLA/MXene和PLA/MXene/CMSs復合材料錐形量熱測試剩余殘炭的數碼照片和SEM圖像

  如圖9所示，MXene 的加入提高了 PLA 的成炭量，但殘炭結構疏松多缺陷，阻隔效果不佳（主要歸因于 MXene 團聚）。CMSs 的引入至關重要：顯著改善了殘炭的致密性和均勻性（歸因于其高效的成炭能力）。形成了完整無缺陷的炭層。該致密炭層作為穩定連續的物理屏障，是 PLA/MXene/CMSs 復合材料具有優異阻燃抑煙性能（特別是凝聚相阻隔作用）的關鍵微觀結構證據。

  綜上所述，碳微球(CMSs)通過靜電吸附作用均勻負載于 MXene 表面。該過程成功合成了一種生物環境友好型 MXene/CMSs 復合阻燃劑，隨后將其引入聚乳酸(PLA)基體中。CMSs的負載對于抑制 MXene 納米片在 PLA 基體中的團聚起到了關鍵作用，這具體表現為 MXene/CMSs 在 PLA 基體中的分散性和相容性得到增強，并改善了因 MXene 加入而降低的力學性能。僅添加 5wt% 的 MXene/CMSs，PLA 復合材料的導熱系數即得到顯著提升(0.31 Wm^-1K^-1)。在阻燃性能方面，極限氧指數(LOI)提升至 26.6%，并在 UL-94 垂直燃燒測試中達到 V-0 等級。與純 PLA 相比，PLA/MXene/CMSs 復合材料的熱釋放速率峰值(pHRR)和總熱釋放量(THR)分別降低了 28.1% 和 15%。尤為顯著的是，總煙釋放量(TSR)大幅降低了 70.4%。燃燒過程中，復合材料表面形成了更穩定且致密的炭層。這種兼具高效阻燃抑煙、低添加量、高導熱性及環境友好特性的復合材料，在智慧城市、物聯網(IoT)和工業報警系統領域展現出廣闊的應用前景，例如：智能煙霧報警系統、消防無人機耐高溫部件、充電樁防護。它尤其適用于對安全性與可持續性均有高要求的應用場景。

  該團隊以設計二維納米材料為出發點，深入分析有關復合材料的構效關系和涉及的阻燃機理，為低維材料在聚合物阻燃、建筑領域和工業物聯網領域提供研究基礎，并形成了一系列研究進展，在《Chemical Engineering Journal》、《Polymer Degradation and Stability》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《Carbohydrate Polymers》和《International Journal of Biological Macromolecules》等期刊發表相關研究成果。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165576