郑州大学王建峰副教授与王万杰教授团队在聚合物/MXene导热、隔热、阻燃防火及电/光热转换复合材料方面取得系列进展

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近年来，二维过渡金属碳化物（MXene）因其诸多优异的性能，已在能源存储、生物医用、导电、电磁屏蔽、结构材料、高分子复合材料等领域展现出巨大潜力，受到广泛关注。近期，郑州大学王建峰副教授和王万杰教授团队在兼顾MXene优异导电和电磁屏蔽性能的同时，研究了MXene在导热/隔热/耐热、阻燃防火、电/光热转换等方面的应用，基于MXene构筑了一系列多功能集成的柔性热管理复合材料，相关工作发表在Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials Interfaces, Composites Part A等国际著名期刊。

（1）MXene填充构筑聚合物基阻燃抗融滴复合材料

该文通过共混、浸渍填充、表面涂覆等方法制备了一系列聚合物/MXene复合材料，率先报道了MXene的加入能够显著提高易燃聚合物的阻燃和抗融滴性能。其机理是：MXene在燃烧过程（600~700 °C，有氧）会氧化生成TiO₂以及C，在聚合物基体表面形成C/TiO₂保护层，进而阻止聚合物的燃烧以及融滴的形成，提高易燃聚合物的阻燃抗融滴性能。该研究以题目“New application of MXene in polymer composites toward remarkable antidripping performance for flame retardancy”发表在Composites Part A 上（2019, 127, 105649）。

图1. 聚合物/MXene阻燃抗融滴复合材料。

（2）阻燃、高导电、高导热的聚乙烯醇/MXene交替多层复合薄膜

该文通过交替流延法制备了具有交替多层结构的聚乙烯醇/MXene复合薄膜，在MXene总含量为19.5 wt%时，27 μm厚的PVA/MXene多层膜的电导率达到716 S/m，电磁屏蔽效能达到44.4 dB。与此同时，复合薄膜的热导率达到4.57 W/mK，比纯PVA基体提高了23倍，且交替层状结构存在的MXene，赋予了PVA基体优异的阻燃抗融滴性能。研究结果为构筑兼具高导电和高导热性能的聚合物基复合材料提供了新的思路，同时也为基于MXene构筑导热/散热材料提供了理论与实践指导。该研究以题目“Flame-retardant poly(vinyl alcohol)/MXene multilayered films with outstanding electromagnetic interference shielding and thermal conductive performances”发表在Chemical Engineering Journal上（2020, 380, 122475，ESI高被引论文）。

图2. 阻燃、高导电、高导热的聚乙烯醇/MXene交替多层复合电磁屏蔽薄膜。

（3）防火、电磁屏蔽、各向异性高导热的MXene/MMT复合薄膜

该文采用真空辅助抽滤法制备了一种防火、电磁屏蔽、各向异性高导热的MXene/MMT复合薄膜。少量MMT纳米片的引入不仅能够诱导MXene高度有序致密排列，同时还能显著提高MXene的耐热和抗氧化能力。当MXene与MMT质量比为9:1时，复合薄膜的面内热导率达到28.8 W/mK，比纯MXene薄膜的面内热导率（15.3 W/mK）提高了88%，而复合薄膜面外热导率（0.27 W/mK）比纯MXene薄膜降低了16%，赋予复合薄膜高的各向异性指数（107）。而且，该复合薄膜保持了高电导率（4420 S/m）、呈现出以吸收为主的电磁屏蔽性能，其在X波段的电磁屏蔽效能达到67 dB。该复合薄膜同时展现出的高电磁屏蔽和高导热性能，远高于绝大部分已报道的导热型电磁屏蔽材料。同时，该复合薄膜还具有良好的耐热和防火性能，在酒精灯上燃烧2分钟后形状没有变化，燃烧2分钟后依然可以作为导线使与其连接的LED灯保持点亮状态。此外，该复合薄膜还具有优异的电热转换性能，施加4.5V的直流电压，复合薄膜的表面温度可快速升至112°C，且经过长时间和多次循环后依然保持良好的电热转换性能。制得的MXene/MMT复合薄膜在散热、隔热、防火、电磁屏蔽、电热除冰、柔性可穿戴加热器等领域具有巨大的应用潜力。该研究近日以题目“Multifunctional MXene-Based Fireproof Electromagnetic Shielding Films with Exceptional Anisotropic Heat Dissipation Capability and Joule Heating Performance”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上（2020 doi.org/10.1021/acsami.0c05692）。

图3. 多功能MXene/MMT复合薄膜。

图4. MXene/MMT复合薄膜的形貌、导电、电磁屏蔽及各向异性导热性能。

图5. MXene/MMT复合薄膜的耐热、耐火及隔热性能。

图6. MXene/MMT复合薄膜的电热转换及电热除冰性能。

（4）多功能集成的电热/光热双驱动聚合物/MXene复合织物加热器

近年来，可穿戴加热器在保温、热疗、除冰、传感等领域显示出巨大应用潜力。质轻、舒适和透气的织物基可穿戴加热器成为当下研究重点与热点，为满足更高要求的可穿戴性提供了可能。尽管织物基可穿戴加热器取得了可喜的进展，但依然存在驱动能源单一、热响应慢、加热温度范围窄等问题。此外，在实际使用过程中，可穿戴加热器使用者面临着电磁辐射污染、细菌交叉感染及热失效引起的火灾等潜在威胁。

近日，郑州大学王建峰副教授与王万杰教授团队采用溶液浸渍法，成功制备了兼具阻燃、抗菌、电磁屏蔽功能的电/光双驱动聚合物/MXene（M-textile）复合织物加热器。MXene纳米片在氢键作用和物理插入的双重作用下紧密的包覆在聚合物纤维表面，并保持了原始织物良好的透气性和舒适性。在MXene含量为17.3 wt%时，M-textile织物的电导率达到117 S/m，在1~3.5 V的低驱动电压下可实现40~174 °C的宽加热范围，且具有优异的耐久性、耐用性和加热稳定性，在长时间循环、大形变及水洗后，依然保持良好的电热性能。而且，M-textile织物在不同波长（近红外光、远红外光、自然光）光源照射下呈现出快速、灵敏的光热转换效果，其加热温度范围可达40~204 °C，并在水洗、大变形、长时间加热后依然保持良好的光热转换效果。与此同时，M-textile基可穿戴加热器还具有优异的电磁屏蔽（42.1 dB，X波段）、阻燃和抗菌性能。该文为实现复杂条件下快速、安全、灵敏的热量转换提供了可行性和新的思路，制得的M-textile加热器在保温、热疗、除冰、防火和抗菌等方面具有巨大应用价值。该研究近日以题目“Air-permeable, multifunctional, dual-energy-driven MXene-decorated polymeric textile-based wearable heater with exceptional electrothermal and photothermal conversion performance”发表在Journal of Materials Chemistry A上（2020, doi.org/10.1039/D0TA03048A）。

图7. 多功能集成的电热/光热双驱动聚合物/MXene复合织物加热器。

图8. M-textile基可穿戴加热器制备流程及其形貌、水洗、透气性。

图9. M-textile基可穿戴加热器的电热转换及电热除冰性能。

图10. M-textile基可穿戴加热器在近红外光（a）、远红外光（b）和太阳光（c-f）照射下的光热转换性能。

图11. M-textile基可穿戴加热器电磁屏蔽性能（a-e）和抗菌性能（f-g）测试。

以上论文第一作者分别为2018级硕士研究生李雷和刘晓雅，通讯作者为郑州大学王建峰副教授和王万杰教授。研究得到中国博士后科学基金、河南省重点研发与推广专项、高分子材料工程国家重点实验室开放基金、郑州大学人才引进启动基金等项目资助，同时感谢四川大学郭少云教授与吴宏教授、浙江大学柏浩教授、西南大学王明教授及美国康涅狄格大学孙陆逸教授对上述研究工作的支持。

原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19303987

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894719318789

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c05692

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/TA/D0TA03048A#!divAbstract

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