聚合物—二硫化钼纳米复合材料热学与燃烧性能的综述

杨华军 韩春春

摘 要：二硫化钼作为一种典型的二维材料，近年来已广泛的应用于各种聚合物基体中。目前国内外对于聚合物-二硫化钼复合材料的研究主要集中在材料的导电和摩擦性能等方面，但是从2016年起，对于二硫化钼在聚合物热学与阻燃方面的研究逐渐兴起。本文即针对近年来这种研究进行综述。

关键词：二硫化钼；聚合物；阻燃性能

自从Novoselov和Geim发现石墨烯，二维层状纳米材料的研究热潮不断兴起。MoS2作为一种典型的层状类石墨烯材料，由于其在润滑、锂离子电池、光电器件所具备的潜在应用价值而成为近年来的研究热点。

MoS2自身的热稳定性较好，可以在较高温度下保持片层结构，同时其导热性低，可以在聚合物热解或燃烧时发挥片层阻隔效应。MoS2中的Mo元素本身也是在聚合物基体燃烧或降解时的成炭剂，可以促进形成致密碳层，有效提升材料的阻燃性能。MoS2本身也是一种抑烟剂，可以有效的降低聚合物燃烧过程的烟密度和烟毒性。

目前，对于聚合物-MoS2纳米复合材料的研究主要集中在其导电性和摩擦性能等方面，直到近两年来才有涉及此类材料在热性能和阻燃性能的研究。本文将主要针对MoS2二维材料在聚合物基体中阻燃性能的影响进行综述。

1 MoS2在聚合物热学及阻燃性能的研究

中科大胡源课题组分别利用CTAB对Li+插层剥离后的MoS2修饰，然后与PS熔融加工、在上述CTAB修饰的MoS2存在下原位引发甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯聚合以及剥离后的MoS2通过静电相互作用吸附在PS小球上构筑了一种多级次体系，然后将其用于PS中。[2]

在熔融加工过程中，添加3wt%的CTAB修饰MoS2纳米片，其热分解温度T5%和T10%分别提升约43和60℃。同時，CTAB修饰MoS2纳米片的加入，可以显著抑制烟的产生速度和总的气体放出。在含有CTAB修饰MoS2纳米片，原位聚合后的PMMA和PS也同样表现出类似的行为。其机理应该是MoS2纳米片均匀分散于聚合物基体树脂中，在受热条件下，起到了良好的阻隔作用，进而提升其分解温度和抑烟能力。

多级次的PS@MoS2核壳结构通过乳液法合成出来带着正电的PS，利用带负电的MoS2通过静电作用自组装形成核壳结构。然后这种核壳结构作为填料就，利用溶液共混的方法与PS共混形成聚合物纳米复合材料。当加入约1%的PS@MoS2（PS：MoS2=30：1），其热分解温度T5%、T10%和Tmax可分别提升约50℃，且能够有效的降低释热速率和发烟量。

尽管MoS2具有一定潜在的阻燃性能，但是MoS2对于阻燃的贡献相对比较单一，而且相关研究的文献依然较少，若要想获得更好的阻燃效果还是需要将MoS2与其他阻燃剂复配进行使用。

2 MoS2配合有机阻燃剂在聚合物热学及阻燃性能的研究

Zhou等[1]在NMP中，利用磷酸三聚氰胺（MAP）修饰MoS2，然后将修饰后的结构通过熔融共混的方式用于聚琥珀酸丁二酯（PBS）中，在仅加入1wt% MAP-MoS2时，其T1%即由326℃上升至341℃，其最大释热峰也相应的发生了降低。

Feng等[2]将三聚氰胺氰脲酸盐修饰到MoS2（MCA/MoS2）上，并将其用于PA6中。将MCA/MoS2的引入对于整个体系的阻燃有显著的帮助。当4wt%的MCA/MoS2加入到体系中，其最大释热峰下降约40%，发烟量下降约24%，同时其成碳效果较为优良。其机理一方面来源于MoS2本身所带来的物理阻隔效应，另一方面，MCA与MoS2的三明治复合结构也具有较好的催化成碳能力。

3 MoS2配合无机阻燃体系在聚合物的热学及阻燃性能研究

Weneleska等[3]利用水热法将三氧化二铁和三氧化二镍生长在已剥离的MoS2表面，随后将其用于PE体系中。研究表明，加入2wt%MoS2-Ni2O3的PE体系，其最大释热速率和总释热峰分别降低了29%和30%，其热导率上升了约200%，而CO的释放量降低了50%。

Zhou等[1]先用二茂铁对MoS2进行了修饰制备得到了Fe-MoS2，然后将其用熔融共混的方法用于PS中。当3wt%Fe-MoS2用于PS中，其T5%和T10%较PS基体分别上升了67和56℃。Fe-MoS2不仅对热稳定性有显著的贡献，其抑烟效果也非常明显。红外-热重联用测试表明，与PS相比，其芳香族的含量基本相当，但是对于易燃气体显著降低。同时，Fe-MoS2在聚合物基体燃烧时，还具有显著的物理阻隔效应和成碳效应。

此外，还有将MoS2与POSS和LDH进行配合使用，均获得了较好的耐热性和阻燃的效果。

4 MoS2在聚合物热学与阻燃性能的前景展望

现今，MoS2二维材料的制备主要采用锂离子插层剥离法，虽然方法高效，但是在大规模制备上还存在安全及成本问题，因此MoS2二维材料的推广还有待新的更廉价与安全的方法开发。

其次，MoS2对于聚合物纳米复合材料的影响，现阶段主要集中于热稳定性和锥形量热仪中的燃烧评价，但是缺乏对于工业指标如UL-94或氧指数的效果评价，同时，对于材料其他方面性能的研究也很匮乏。

最后，对于MoS2对不同温度和不同氧气条件下材料燃烧产生的烟气毒性规律还缺乏足够的数据支持，同时对于MoS2对于不同毒性气体产生影响的机制也有待进一步的研究。

参考文献：

[1]周克清.典型聚合物基二硫化钼纳米复合材料制备与热稳定与燃烧性能的研究[M].中国科技大学博士论文.

[2]冯夏明.二维二硫化钼聚合物纳米复合材料的制备及其力学、热学和燃烧性能的研究[M].中国科技大学博士论文.

[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.

作者简介：杨华军（1983-），男，汉族，湖南常宁人，硕士，研究方向：塑料改性。