西南交大朱旻昊、樊小强等 Adv. Colloid Interfac.：Ti3C2Tx MXene增强聚合物用于磨蚀防护研究进展

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西南交大朱旻昊、樊小强等 Adv. Colloid Interfac.：Ti3C2Tx MXene增强聚合物用于磨蚀防护研究进展

高分子科技

2022-10-13

导读：首先介绍了Ti3C2Tx MXene的制备策略、力学性能、摩擦学性能，随后总结了Ti3C2Tx MXene增强高分子聚合物在磨蚀防护方面的最新进展...

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近日，西南交通大学材料服役行为与安全评价团队朱旻昊教授、樊小强教授等，在国际知名期刊Advances in Colloid and Interface Science上发表题为“State-of-the-art progresses for Ti₃C₂T_x MXene reinforced polymer composites in corrosion and tribology aspects”的综述论文。该综述论文首先介绍了Ti₃C₂T_x MXene的制备策略、力学性能、摩擦学性能，随后总结了Ti3C2Tx MXene增强高分子聚合物在磨蚀防护方面的最新进展，最后讨论了Ti3C2Tx MXene基高分子聚合物用于磨蚀防护的现有挑战和未来方向。

作为一种新兴的二维材料，Ti₃C₂T_x MXene在储能、电子器件、电磁屏蔽、催化、生物医疗等领域展现出广阔的应用前景。Ti₃C₂T_x MXene具有众多优异的性能，如高比表面积、高导电性、丰富的表面端基、最大的刚度（相比于其它由液相法得到的二维材料），使其成为聚合物复合材料领域中一颗冉冉升起的新星。目前，Ti₃C₂T_x MXene基高分子聚合物不仅广泛应用于传感、储能、光热转变等领域，其在腐蚀和摩擦等领域也展现出巨大的应用前景。因此，本综述就Ti₃C₂T_x MXene制备策略、Ti₃C₂T_x MXene力学性能和摩擦学性能及Ti₃C₂T_x MXene基高分子复合物用于磨蚀防护进行系统地总结，并对其面临的问题和未来的发展方向作出了展望。

研究要点1：

简要总结了Ti₃C₂T_x MXene的制备方法。目前Ti₃C₂T_x MXene主要通过化学刻蚀前驱体Ti₃AlC₂得到，刻蚀方法可分为含氟刻蚀（如使用HF、LiF+HCl溶液）和无氟刻蚀（如电化学刻蚀、碱处理），含氟刻蚀方法由于直接或原位生成HF具有很大的安全及环境问题，无氟刻蚀是未来绿色、安全制备Ti₃C₂T_x MXene的新途径。

图1. Ti₃C₂T_x MXene的刻蚀及剥离过程。

研究要点2：

2D Ti₃C₂T_x MXene在聚合物涂层中的应用需要面对以下挑战：（1）与聚合物的界面相容性及分散稳定性差，（2）Ti₃C₂T_x MXene高导电性引发的电偶腐蚀效应，（3）Ti₃C₂T_x MXene功能单一，（4）Ti₃C₂T_x MXene在聚合物中的定向排列。

图 2. Ti₃C₂T_x MXene在聚合物涂层中的应用瓶颈。

图 3. Ti₃C₂T_x MXene表面改性增强其与聚合物的界面相容性。

图 4. 降低或利用Ti₃C₂T_x MXene高导电性。

图 5. Ti₃C₂T_x MXene定向排列及其功能化。

研究要点3：

Ti₃C₂T_x MXene优异的力学性能是其在各种领域应用的前提。理论计算结果表明无官能团的Ti₃C₂ MXene的杨氏模量约为534GPa，表面功能化减小其杨氏模量增大其临界应变，Ti₃C₂(OH)₂ MXene具有最大的泊松比，此外，Ti₃C₂ MXene弯曲刚度与其厚度的立方呈非线性相关。相比于其他由液相处理得到的2D材料（如GO、rGO、MoS₂），Ti₃C₂T_x MXene具有最高的有效杨氏模量。

图 6. Ti₃C₂T_x MXene力学性能总结。

研究要点4：

Ti₃C₂T_x MXene本征摩擦学性能受温度、表面官能团、缺陷等影响。在10K时，Ti₃C₂O₂ MXene层间摩擦系数约为0.24，而在298K时，其摩擦系数下降0.03-0.04。其中，Ti₃C₂(OH)₂ MXene展现出最低的摩擦系数，约为0.1；V_Ti和V_O均会加大摩擦系数，但V_Ti对摩擦系数的影响更为显著。

图 7. Ti₃C₂T_x MXene本征摩擦学性能。

研究要点5：

Ti₃C₂T_x MXene及其复合物增强聚合物的摩擦学/力学性能。

图 8. Ti₃C₂T_x MXene/环氧树脂摩擦学性能。

图 9. Ti₃C₂T_x MXene/UHMWPE力学及摩擦学性能。

Ti₃C₂T_x MXene具有高比表面积、优异的力学性能、亲水性表面，这些本征性能是制备Ti₃C₂T_x MXene基有机复合物的坚实基础。Ti₃C₂T_x MXene基有机复合物在磨蚀防护领域展现出巨大的应用潜力，为进一步促进Ti₃C₂T_x MXene在磨蚀防护领域的应用，研究学者可从以下方面进行探索：

（1）大规模绿色制备：虽然目前已经提出了许多安全、环保的制备策略，但将其规模化仍是一大挑战。

（2）提高结构稳定性：Ti₃C₂T_x MXene存在稳定性差的问题，在空气及水溶液中容易氧化，因此亟需提升Ti₃C₂T_x MXene稳定性。

（3）制备策略-性能相互关系：目前Ti₃C₂T_x MXene制备方法主要可分为含氟及无氟制备，因此可探究不同制备策略对Ti₃C₂T_x MXene本征性能及其有机复合物腐蚀/摩擦学性能的影响。

（4）Ti₃C₂T_x MXene基聚合物腐蚀/摩擦学性能：提升Ti₃C₂T_x MXene与聚合物相容性，解决Ti₃C₂T_x MXene功能单一，Ti₃C₂T_x MXene在聚合物中的定向排列。

（5）Ti₃C₂T_x MXene/聚合物系统多尺度计算。

图 10. Ti₃C₂T_x MXene/聚合物系统多尺度计算：从表界面科学到工程化应用。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cis.2022.102790

作者简介/课题组介绍

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朱旻昊 博士，西南交通大学首席教授，博士生导师，国家杰青、“长江学者”特聘教授、“万人计划”领军人才，教育部创新团队带头人、全国优秀博士论文获得者。材料科学与工程学院院长、轨道交通安全研究院院长、材料先进技术教育部重点实验室主任。

主要从事摩擦学（微动摩擦学、铁路摩擦学等）、表面工程、材料服役行为研究等。曾荣获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、四川省科技进步二等奖、法国航空航天集团SNECMA科技奖（二等）、茅以升铁道科学技术奖。已出版专著5部、授权国家发明专利40余项；在国内外学术期刊上发表论文550余篇（SCI收录200余篇），2009年以来有关“微动（fretting）”的SCI论文在国际上排名第1；担任国际微动疲劳会议（ISFF）国际执委，主办国际会议3次。

樊小强 教授，博士生导师，四川省特聘专家、四川省专家服务团专家。主要从事磨蚀防护材料及使役行为等方面的研究，以第一作者和通讯作者已在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等国际权威期刊发表SCI文章80余篇，授权国家发明专利12件，承担国家自然科学基金3项、省部级重点项目2项、央/国企合作项目近10项。兼任中国机械工程学会表面工程分会青年工作委员会委员；中国机械工程学会材料分会委员会委员；中国腐蚀与防护学会铁道设施专业委员会委员；中国腐蚀与防护学会磨蚀与防护技术专委会委员；四川省腐蚀与防护学会理事会理事等。获第七届“全国铁路青年科技创新奖”、获2016年度中国科学院院长优秀奖、第七届IFAM优秀青年科学家奖等荣誉。

课题组网站：

https://faculty.swjtu.edu.cn/fanxiaoqiang/zh_CN/index/136633/list/index.htm

工作回顾

（1）首次将Ti₃C₂T_x MXene纳米片引入环氧树脂中，证明其具有优异的防腐性能。

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

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

（2）利用Ti₃C₂T_x MXene、石墨烯、二硫化钼协同增强效应，构建Ti₃C₂T_x/graphene、Ti₃C₂T_x/MoS₂复合物实现环氧树脂长效磨蚀防护。

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）构筑Ti₃C₂T_x MXene基有机涂层/无机涂层多梯度结构，避免Ti₃C₂T_x MXene电偶腐蚀效应，实现防腐耐磨一体化。

Corrosion Science 174 (2020) 108813，

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

（4）氨基官能化Ti₃C₂T_x MXene改善其与水性环氧树脂界面相容性。

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调控Ti₃C₂T_x MXene导电性，抑制其电偶腐蚀效应。

Chemical Engineering Journal 410 (2021) 128310，

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

（6）原位制备Ti₃C₂T_x MXene@MgAl-LDH 复合物，同时实现提升Ti₃C₂T_x MXene与环氧树脂界面相容性及Ti₃C₂T_x MXene自修复功能。

Chemical Engineering Journal 419 (2021) 130050，

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

（7）氨基化Ti₃C₂T_x MXene负载BTA修饰的ZIF-8实现Ti₃C₂T_x MXene智能自修复。

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

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

（8）在直流电场下实现Ti₃C₂T_x MXene纳米片在树脂中的定向排列。

Composites Part B 231 (2022) 109581，

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