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西南交大朱旻昊、樊小強等 Adv. Colloid Interfac.：Ti3C2Tx MXene增強聚合物用于磨蝕防護研究進展
2022-10-13  來源：高分子科技

  近日，西南交通大學(xué)材料服役行為與安全評價團隊朱旻昊教授、樊小強教授等，在國際知名期刊Advances in Colloid and Interface Science上發(fā)表題為“State-of-the-art progresses for Ti3C2Tx MXene reinforced polymer composites in corrosion and tribology aspects”的綜述論文。該綜述論文首先介紹了Ti3C2Tx MXene的制備策略、力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能，隨后總結(jié)了Ti3C2Tx MXene增強高分子聚合物在磨蝕防護方面的最新進展，最后討論了Ti3C2Tx MXene基高分子聚合物用于磨蝕防護的現(xiàn)有挑戰(zhàn)和未來方向。



  作為一種新興的二維材料，Ti3C2Tx MXene在儲能、電子器件、電磁屏蔽、催化、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。Ti3C2Tx MXene具有眾多優(yōu)異的性能，如高比表面積、高導(dǎo)電性、豐富的表面端基、最大的剛度（相比于其它由液相法得到的二維材料），使其成為聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域中一顆冉冉升起的新星。目前，Ti3C2Tx MXene基高分子聚合物不僅廣泛應(yīng)用于傳感、儲能、光熱轉(zhuǎn)變等領(lǐng)域，其在腐蝕和摩擦等領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。因此，本綜述就Ti3C2Tx MXene制備策略、Ti3C2Tx MXene力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能及Ti3C2Tx MXene基高分子復(fù)合物用于磨蝕防護進行系統(tǒng)地總結(jié)，并對其面臨的問題和未來的發(fā)展方向作出了展望。 



研究要點1：


  簡要總結(jié)了Ti3C2Tx MXene的制備方法。目前Ti3C2Tx MXene主要通過化學(xué)刻蝕前驅(qū)體Ti3AlC2得到，刻蝕方法可分為含氟刻蝕（如使用HF、LiF+HCl溶液）和無氟刻蝕（如電化學(xué)刻蝕、堿處理），含氟刻蝕方法由于直接或原位生成HF具有很大的安全及環(huán)境問題，無氟刻蝕是未來綠色、安全制備Ti3C2Tx MXene的新途徑。 


圖1. Ti3C2Tx MXene的刻蝕及剝離過程。


研究要點2：


  2D Ti3C2Tx MXene在聚合物涂層中的應(yīng)用需要面對以下挑戰(zhàn)：（1）與聚合物的界面相容性及分散穩(wěn)定性差，（2）Ti3C2Tx MXene高導(dǎo)電性引發(fā)的電偶腐蝕效應(yīng)，（3）Ti3C2Tx MXene功能單一，（4）Ti3C2Tx MXene在聚合物中的定向排列。 



圖 2. Ti3C2Tx MXene在聚合物涂層中的應(yīng)用瓶頸。 



圖 3. Ti3C2Tx MXene表面改性增強其與聚合物的界面相容性。 



圖 4. 降低或利用Ti3C2Tx MXene高導(dǎo)電性。 



圖 5. Ti3C2Tx MXene定向排列及其功能化。


研究要點3：


  Ti3C2Tx MXene優(yōu)異的力學(xué)性能是其在各種領(lǐng)域應(yīng)用的前提。理論計算結(jié)果表明無官能團的Ti3C2 MXene的楊氏模量約為534GPa，表面功能化減小其楊氏模量增大其臨界應(yīng)變，Ti3C2(OH)2 MXene具有最大的泊松比，此外，Ti3C2 MXene彎曲剛度與其厚度的立方呈非線性相關(guān)。相比于其他由液相處理得到的2D材料（如GO、rGO、MoS2），Ti3C2Tx MXene具有最高的有效楊氏模量。 


圖 6. Ti3C2Tx MXene力學(xué)性能總結(jié)。


研究要點4：


  Ti3C2Tx MXene本征摩擦學(xué)性能受溫度、表面官能團、缺陷等影響。在10K時，Ti3C2O2 MXene層間摩擦系數(shù)約為0.24，而在298K時，其摩擦系數(shù)下降0.03-0.04。其中，Ti3C2(OH)2 MXene展現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù)，約為0.1；VTi和VO均會加大摩擦系數(shù)，但VTi對摩擦系數(shù)的影響更為顯著。 


圖 7. Ti3C2Tx MXene本征摩擦學(xué)性能。


研究要點5：


  Ti3C2Tx MXene及其復(fù)合物增強聚合物的摩擦學(xué)/力學(xué)性能。 



圖 8. Ti3C2Tx MXene/環(huán)氧樹脂摩擦學(xué)性能。



 圖 9. Ti3C2Tx MXene/UHMWPE力學(xué)及摩擦學(xué)性能。


  Ti3C2Tx MXene具有高比表面積、優(yōu)異的力學(xué)性能、親水性表面，這些本征性能是制備Ti3C2Tx MXene基有機復(fù)合物的堅實基礎(chǔ)。Ti3C2Tx MXene基有機復(fù)合物在磨蝕防護領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為進一步促進Ti3C2Tx MXene在磨蝕防護領(lǐng)域的應(yīng)用，研究學(xué)者可從以下方面進行探索：


  （1）大規(guī)模綠色制備：雖然目前已經(jīng)提出了許多安全、環(huán)保的制備策略，但將其規(guī)；允且淮筇魬(zhàn)。

  （2）提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：Ti3C2Tx MXene存在穩(wěn)定性差的問題，在空氣及水溶液中容易氧化，因此亟需提升Ti3C2Tx MXene穩(wěn)定性。

  （3）制備策略-性能相互關(guān)系：目前Ti3C2Tx MXene制備方法主要可分為含氟及無氟制備，因此可探究不同制備策略對Ti3C2Tx MXene本征性能及其有機復(fù)合物腐蝕/摩擦學(xué)性能的影響。

  （4）Ti3C2Tx MXene基聚合物腐蝕/摩擦學(xué)性能：提升Ti3C2Tx MXene與聚合物相容性，解決Ti3C2Tx MXene功能單一，Ti3C2Tx MXene在聚合物中的定向排列。

  （5）Ti3C2Tx MXene/聚合物系統(tǒng)多尺度計算。 



圖 10. Ti3C2Tx MXene/聚合物系統(tǒng)多尺度計算：從表界面科學(xué)到工程化應(yīng)用。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102790


作者簡介/課題組介紹

  朱旻昊  博士，西南交通大學(xué)首席教授，博士生導(dǎo)師，國家杰青、“長江學(xué)者”特聘教授、“萬人計劃”領(lǐng)軍人才，教育部創(chuàng)新團隊帶頭人、全國優(yōu)秀博士論文獲得者。材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、軌道交通安全研究院院長、材料先進技術(shù)教育部重點實驗室主任。

  主要從事摩擦學(xué)（微動摩擦學(xué)、鐵路摩擦學(xué)等）、表面工程、材料服役行為研究等。曾榮獲國家自然科學(xué)二等獎、教育部自然科學(xué)一等獎、四川省科技進步二等獎、法國航空航天集團SNECMA科技獎（二等）、茅以升鐵道科學(xué)技術(shù)獎。已出版專著5部、授權(quán)國家發(fā)明專利40余項；在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文550余篇（SCI收錄200余篇），2009年以來有關(guān)“微動（fretting）”的SCI論文在國際上排名第1；擔(dān)任國際微動疲勞會議（ISFF）國際執(zhí)委，主辦國際會議3次。


  樊小強 教授，博士生導(dǎo)師，四川省特聘專家、四川省專家服務(wù)團專家。主要從事磨蝕防護材料及使役行為等方面的研究，以第一作者和通訊作者已在Chemical Engineer Journal、Advances in Colloid and Interface Science、ACS Applied Materials and Interfaces、Carbon、Corrosion Science、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Materials Science & Technology、Applied Surface Science、Journal of Colloid Interface Science、Tribology International和Friction等國際權(quán)威期刊發(fā)表SCI文章80余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利12件，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金3項、省部級重點項目2項、央/國企合作項目近10項。兼任中國機械工程學(xué)會表面工程分會青年工作委員會委員；中國機械工程學(xué)會材料分會委員會委員；中國腐蝕與防護學(xué)會鐵道設(shè)施專業(yè)委員會委員；中國腐蝕與防護學(xué)會磨蝕與防護技術(shù)專委會委員；四川省腐蝕與防護學(xué)會理事會理事等。獲第七屆“全國鐵路青年科技創(chuàng)新獎”、獲2016年度中國科學(xué)院院長優(yōu)秀獎、第七屆IFAM優(yōu)秀青年科學(xué)家獎等榮譽。


  課題組網(wǎng)站：https://faculty.swjtu.edu.cn/fanxiaoqiang/zh_CN/index/136633/list/index.htm


工作回顧

（1）首次將Ti3C2Tx MXene納米片引入環(huán)氧樹脂中，證明其具有優(yōu)異的防腐性能。

Progress in Organic Coatings 135 (2019) 156-167，

https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2019.06.013.

（2）利用Ti3C2Tx MXene、石墨烯、二硫化鉬協(xié)同增強效應(yīng)，構(gòu)建Ti3C2Tx/graphene、Ti3C2Tx/MoS2復(fù)合物實現(xiàn)環(huán)氧樹脂長效磨蝕防護。

Carbon 157 (2020) 217-233，

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.10.034；

Journal of Materials Science & Technology 116 (2022) 151–160，

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.026.

（3）構(gòu)筑Ti3C2Tx MXene基有機涂層/無機涂層多梯度結(jié)構(gòu)，避免Ti3C2Tx MXene電偶腐蝕效應(yīng)，實現(xiàn)防腐耐磨一體化。

Corrosion Science 174 (2020) 108813，

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108813.

（4）氨基官能化Ti3C2Tx MXene改善其與水性環(huán)氧樹脂界面相容性。

Journal of Materials Science & Technology 54 (2020) 144–159，

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.002；

Tribology International 163 (2021) 107196，

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107196.

（5）利用PANI調(diào)控Ti3C2Tx MXene導(dǎo)電性，抑制其電偶腐蝕效應(yīng)。

Chemical Engineering Journal 410 (2021) 128310，

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128310.

（6）原位制備Ti3C2Tx MXene@MgAl-LDH 復(fù)合物，同時實現(xiàn)提升Ti3C2Tx MXene與環(huán)氧樹脂界面相容性及Ti3C2Tx MXene自修復(fù)功能。

Chemical Engineering Journal 419 (2021) 130050，

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130050.

（7）氨基化Ti3C2Tx MXene負(fù)載BTA修飾的ZIF-8實現(xiàn)Ti3C2Tx MXene智能自修復(fù)。

Journal of Colloid and Interface Science 602 (2021) 131–145，

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.06.004.

（8）在直流電場下實現(xiàn)Ti3C2Tx MXene納米片在樹脂中的定向排列。

Composites Part B 231 (2022) 109581，

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109581.

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