福州大学研究生，福州大学研究生院
聚合物材料由于自身优异的综合性能被广泛应用于人们的生产生活当中。然而，聚合物的易燃性却给人类带来诸多突发性、毁灭性的灾难，如重大人员伤亡、经济损失和环境破坏。当前，火灾风险防控已成为全球性挑战，其应对策略主要包括被动型阻燃防火和主动型火灾预警。MXenes作为二维纳米材料家族的新成员，具有高比表面积、金属导电性、电磁屏蔽、可调表面功能化和优异的机械性能。近年来，MXenes在聚合物材料中的阻燃及预警应用引起了学术界的极大兴趣。
近期，澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授, 福州大学施永乾教授和青岛科技大学刘磊副教授基于课题组前期研究成果（Compos. Commun. 2023, 37: 101405; Compos. Commun. 2023, 37: 101402; J. Mater. Scie. Technol. 2023, 132: 59-68; J. Mater. Scie. Technol. 2022, 111: 66-75; Matter 2022, 5: 911-932; Mater. Sci. Eng. R: Rep. 2022, 150: 100690; Chem. Eng. J. 2023, 451: 138768; Chem. Eng. J. 2022, 439: 134516; Chem. Eng. J. 2022, 430: 132712; Chem. Eng. J. 2022, 427: 131615; Chem. Eng. J. 2022, 424: 130338; Nano Res. 2022, 15: 9531-9543; Compos. Part B 2022, 236: 109792; Mater. Today Phys. 2022, 22: 100607; Compos. Part A 2022, 160: 107070; J. Hazard. Mater. 2022, 423: 127069; Compos. Commun. 2022, 34: 101270; Compos. Commun. 2022, 35: 101339; Compos. Commun. 2022, 29: 101055; New J. Chem. 2022, 46: 14112-14121; Compos. Part B 2021, 226: 109363; Compos. Part A 2021, 150: 106600; Small methods 2021, 5: 2001040; Compos. Part B 2020, 203: 108486; Chem. Eng. J. 2020, 399: 125829; Chem. Eng. J. 2020, 397, 125336; Chem. Eng. J. 2019, 378: 122267），在国际材料领域知名期刊 Advanced Functional Materials（IF: 19.924/Q1）上发表了题为“2D MXenes for Fire Retardancy and Fire-Warning Applications: Promises and Prospects”的综述文章，系统总结了MXene阻燃及预警应用的研究进展，主要内容包括：（1）MXene制备；（2）MXene的功能化及阻燃应用和阻燃机理；（3）MXene预警应用及预警机理；（4）MXenes与其他材料（如石墨烯等）在聚合物中的阻燃及预警效能的对比分析；（5）MXenes阻燃及预警体系面临的挑战和机遇。
图1：MXene的合成与制备。a)（电）化学刻蚀法，b) 原位生长法
MXenes已历经10年发展，期间涌现了除Ti 3C 2T x的多种MXene材料（如Ti 4N 3T x等）。MXenes的加工方法主要包括（电）化学刻蚀法和原位生长法，但每种方法各有优缺点。
图2：阻燃柔性MXene/NR复合膜。a) MXene/NR复合膜的制备，b) MXene/NR复合膜的照片及横截面形貌，c) MXene/NR复合膜的热释放速率曲线
MXene独特的二维结构与高比表面积使其能够作为物理屏障层来有效阻隔热量传递和延缓基体热分解。近年来，基于纯MXene的阻燃材料已被广泛报道，根据材料的加工形态主要可分为阻燃薄膜、阻燃气凝胶及阻燃涂层。例如，研究人员通过抽滤法制备了MXene/天然橡胶（NR）复合膜（图2），其中MXene与NR分子链间缠结作用提高了该复合材料的力学性能，使其展现出较大的形变。同时， MCC测试结果表明，MXene添加量越高，复合材料热释放速率峰值越低。
图3：PEG/PVP-MXene火灾预警器。a) PEG/PVP-MXene 制备，b-c) EG/PVP-MXene的循环预警功能，d) EG/PVP-MXene在燃烧过程中的结构演化
MXene因其自身的热电效应，近年来被广泛用于火灾预警传感器。相比被广泛报道的氧化石墨烯（GO）基预警器，MXene基预警器具有可重复使用的优点。根据预警原理的不同，MXene基火灾预警器主要分为1）自供电型，2）电阻变化型，3）形状记忆型。图4展示了一种典型的MXene基电阻型火灾预警器（PEG/PVP-MXene）。当该预警器暴露在火焰下时，2 s内可实现预警，并可重复使用100次以上。该材料预警机理为：MXene在受热状态下生成的TiO 2随着温度的升高会发生电阻变化，最终导致了C/N残碳从绝缘状态转变成导电状态，形成导电通路。
图4：基于MXene聚合物体系阻燃机理
MXene的阻燃机理（如图4所示）主要包括：1）阻隔效应：MXenes纳米片及其分解产物TiO 2具有良好的物理阻隔作用，同时在基体中构建“迷宫”，延长气体扩散路径；2）催化效应：MXenes分解产物锐钛矿TiO 2具有优异的催化活性，能促进聚合物基体成炭，起到良好的催化成炭和抑烟效果；3）吸附效应：MXene的高比表面积可以吸附聚合物热解产物进入可燃区域。其他协效阻燃剂的引入可通过在气相和凝聚相与MXene发挥协效阻燃功能。
图5：基于MXene聚合物体系预警机理
MXene基预警传感器的多元化预警机理主要包括 （图5）：1）热电效应：MXenes受热后，电子随着温度梯度由高温区往低温区移动；2）电阻变化：聚合物/MXene复合材料体系受热分解，材料从不导电态转化为导电态，形成导电通路；3）材料的形状记忆功能：材料受热后温度达到玻璃化转变温度，利用材料的形变将断路连接为通路。
图6：基于MXene阻燃预警应用的挑战与应对措施
当前MXene阻燃及预警应用仍面临诸多挑战（见图6），主要包括：（1）MXene热氧稳定性差；（2）MXene阻燃效率低；（3）MXene与聚合物体系相容性差；（4）MXene在聚合物中分散性差；（5）制备成本高；（6）MXene产率低；（7）加工重复性及稳定性问题；（8）火情监测范围小；（9）使用环境对预警传感器的影响缺乏研究；（10）缺少不同类型MXene的性能对比与优化。应对措施主要包括：（1）采用无机/有机阻燃剂对MXene进行表面功能化改性；（2）采用其他低成本阻燃剂进行协效阻燃；（3）改进MXene的制备工艺；（4）采用无线传输技术与传感器连接；（5）研究使用环境的影响；（6）比较不同类型MXene性能并进行优化。
宋平安：澳大利亚南昆士兰大学教授，澳大利亚研究理事会未来研究员（ARC Future Fellow），入选2021和2022年全球前2%顶尖科学家。2009年获得浙江大学高分子化学与物理专业博士学位。主要致力于高分子材料的共混改性及其结构-性能关系、阻燃剂及阻燃涂层、火灾预警等方面的研究。迄今，已主持包括6项国家级项目在内的20余项科研项目。以第一作者和/或通讯作者等在 Science, Adv. Mater., Matter, Adv. Funct. Mater., ACS Nano、 Prog. Mater. Sci.、Prog. Polym. Sci.、 Mater. Sci. Eng. R: Rep. 和 Macromolecules等材料和高分子领域的国际知名学术期刊上发表SCI收录论文200余篇；其中影响因子>10的80余篇，ESI 高被引论文18篇，被引用11500余次，H-指数67。研究工作得到 Science、澳大利亚ABCNews、MIT技术评论等媒体的广泛报道；研究工作入选澳大利亚研究理事会年度报告。编写英文书籍章节2章。目前担任期刊 Compos. Part B: Eng.（IF:11.32）和、 J. Mater. Sci. Technol. （IF：10.3）的编委，以及 Front. Mater.（IF: 3.985）的副编辑。
施永乾：现为福州大学环境与安全工程学院教授，博士生导师，入选福建省高层次人才C类、全球前2%顶尖科学家，中国消防协会第八届科普教育工作委员会委员、中国消防协会第四届防火材料委员会委员、中国塑料加工工业协会第五届专家委员会委员。2016年毕业于中国科学技术大学和香港城市大学，获双博士学位。研究兴趣包括材料热解与燃烧以及功能性阻燃弹性体材料、爆炸防护材料等研发。发表SCI论文100余篇（其中ESI高被引论文9篇），H-Index：44，申请和授权专利10余件。主持国家自然科学基金、省自然科学基金等科研项目12项。成果荣获中国职业安全健康协会科学技术一等奖、中国安全生产协会第二届安全科技进步二等奖各1项。担任Frontiers in Materials副编辑。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212124
来源：高分子科学前沿
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