聚合物—二硫化鉬納米復(fù)合材料熱學(xué)與燃燒性能的綜述

楊華軍 韓春春

摘 要：二硫化鉬作為一種典型的二維材料，近年來已廣泛的應(yīng)用于各種聚合物基體中。目前國內(nèi)外對于聚合物-二硫化鉬復(fù)合材料的研究主要集中在材料的導(dǎo)電和摩擦性能等方面，但是從2016年起，對于二硫化鉬在聚合物熱學(xué)與阻燃方面的研究逐漸興起。本文即針對近年來這種研究進行綜述。

關(guān)鍵詞：二硫化鉬；聚合物；阻燃性能

自從Novoselov和Geim發(fā)現(xiàn)石墨烯，二維層狀納米材料的研究熱潮不斷興起。MoS2作為一種典型的層狀類石墨烯材料，由于其在潤滑、鋰離子電池、光電器件所具備的潛在應(yīng)用價值而成為近年來的研究熱點。

MoS2自身的熱穩(wěn)定性較好，可以在較高溫度下保持片層結(jié)構(gòu)，同時其導(dǎo)熱性低，可以在聚合物熱解或燃燒時發(fā)揮片層阻隔效應(yīng)。MoS2中的Mo元素本身也是在聚合物基體燃燒或降解時的成炭劑，可以促進形成致密碳層，有效提升材料的阻燃性能。MoS2本身也是一種抑煙劑，可以有效的降低聚合物燃燒過程的煙密度和煙毒性。

目前，對于聚合物-MoS2納米復(fù)合材料的研究主要集中在其導(dǎo)電性和摩擦性能等方面，直到近兩年來才有涉及此類材料在熱性能和阻燃性能的研究。本文將主要針對MoS2二維材料在聚合物基體中阻燃性能的影響進行綜述。

1 MoS2在聚合物熱學(xué)及阻燃性能的研究

中科大胡源課題組分別利用CTAB對Li+插層剝離后的MoS2修飾，然后與PS熔融加工、在上述CTAB修飾的MoS2存在下原位引發(fā)甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯聚合以及剝離后的MoS2通過靜電相互作用吸附在PS小球上構(gòu)筑了一種多級次體系，然后將其用于PS中。[2]

在熔融加工過程中，添加3wt%的CTAB修飾MoS2納米片，其熱分解溫度T5%和T10%分別提升約43和60℃。同時，CTAB修飾MoS2納米片的加入，可以顯著抑制煙的產(chǎn)生速度和總的氣體放出。在含有CTAB修飾MoS2納米片，原位聚合后的PMMA和PS也同樣表現(xiàn)出類似的行為。其機理應(yīng)該是MoS2納米片均勻分散于聚合物基體樹脂中，在受熱條件下，起到了良好的阻隔作用，進而提升其分解溫度和抑煙能力。

多級次的PS@MoS2核殼結(jié)構(gòu)通過乳液法合成出來帶著正電的PS，利用帶負電的MoS2通過靜電作用自組裝形成核殼結(jié)構(gòu)。然后這種核殼結(jié)構(gòu)作為填料就，利用溶液共混的方法與PS共混形成聚合物納米復(fù)合材料。當(dāng)加入約1%的PS@MoS2（PS：MoS2=30：1），其熱分解溫度T5%、T10%和Tmax可分別提升約50℃，且能夠有效的降低釋熱速率和發(fā)煙量。

盡管MoS2具有一定潛在的阻燃性能，但是MoS2對于阻燃的貢獻相對比較單一，而且相關(guān)研究的文獻依然較少，若要想獲得更好的阻燃效果還是需要將MoS2與其他阻燃劑復(fù)配進行使用。

2 MoS2配合有機阻燃劑在聚合物熱學(xué)及阻燃性能的研究

Zhou等[1]在NMP中，利用磷酸三聚氰胺（MAP）修飾MoS2，然后將修飾后的結(jié)構(gòu)通過熔融共混的方式用于聚琥珀酸丁二酯（PBS）中，在僅加入1wt% MAP-MoS2時，其T1%即由326℃上升至341℃，其最大釋熱峰也相應(yīng)的發(fā)生了降低。

Feng等[2]將三聚氰胺氰脲酸鹽修飾到MoS2（MCA/MoS2）上，并將其用于PA6中。將MCA/MoS2的引入對于整個體系的阻燃有顯著的幫助。當(dāng)4wt%的MCA/MoS2加入到體系中，其最大釋熱峰下降約40%，發(fā)煙量下降約24%，同時其成碳效果較為優(yōu)良。其機理一方面來源于MoS2本身所帶來的物理阻隔效應(yīng)，另一方面，MCA與MoS2的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)也具有較好的催化成碳能力。

3 MoS2配合無機阻燃體系在聚合物的熱學(xué)及阻燃性能研究

Weneleska等[3]利用水熱法將三氧化二鐵和三氧化二鎳生長在已剝離的MoS2表面，隨后將其用于PE體系中。研究表明，加入2wt%MoS2-Ni2O3的PE體系，其最大釋熱速率和總釋熱峰分別降低了29%和30%，其熱導(dǎo)率上升了約200%，而CO的釋放量降低了50%。

Zhou等[1]先用二茂鐵對MoS2進行了修飾制備得到了Fe-MoS2，然后將其用熔融共混的方法用于PS中。當(dāng)3wt%Fe-MoS2用于PS中，其T5%和T10%較PS基體分別上升了67和56℃。Fe-MoS2不僅對熱穩(wěn)定性有顯著的貢獻，其抑煙效果也非常明顯。紅外-熱重聯(lián)用測試表明，與PS相比，其芳香族的含量基本相當(dāng)，但是對于易燃氣體顯著降低。同時，F(xiàn)e-MoS2在聚合物基體燃燒時，還具有顯著的物理阻隔效應(yīng)和成碳效應(yīng)。

此外，還有將MoS2與POSS和LDH進行配合使用，均獲得了較好的耐熱性和阻燃的效果。

4 MoS2在聚合物熱學(xué)與阻燃性能的前景展望

現(xiàn)今，MoS2二維材料的制備主要采用鋰離子插層剝離法，雖然方法高效，但是在大規(guī)模制備上還存在安全及成本問題，因此MoS2二維材料的推廣還有待新的更廉價與安全的方法開發(fā)。

其次，MoS2對于聚合物納米復(fù)合材料的影響，現(xiàn)階段主要集中于熱穩(wěn)定性和錐形量熱儀中的燃燒評價，但是缺乏對于工業(yè)指標(biāo)如UL-94或氧指數(shù)的效果評價，同時，對于材料其他方面性能的研究也很匱乏。

最后，對于MoS2對不同溫度和不同氧氣條件下材料燃燒產(chǎn)生的煙氣毒性規(guī)律還缺乏足夠的數(shù)據(jù)支持，同時對于MoS2對于不同毒性氣體產(chǎn)生影響的機制也有待進一步的研究。

參考文獻：

[1]周克清.典型聚合物基二硫化鉬納米復(fù)合材料制備與熱穩(wěn)定與燃燒性能的研究[M].中國科技大學(xué)博士論文.

[2]馮夏明.二維二硫化鉬聚合物納米復(fù)合材料的制備及其力學(xué)、熱學(xué)和燃燒性能的研究[M].中國科技大學(xué)博士論文.

[3]Karolina W，Ewa M.Preparation，Thermal Conductivity，and Thermal Stability of Flame Retardant Polyethylene with a exfoliated MoS2/MxOy[J].New Journal of Chemistry，2017，41（22）：13287-13292.

作者簡介：楊華軍（1983-），男，漢族，湖南常寧人，碩士，研究方向：塑料改性。