化學與材料科學 - 廣西大學朱艷秋教授團隊CEJ：激光燒結改性無機富勒烯增強PA12納米複合材料及其防火特性研究－鑽石舞台

點擊藍字關注我們

近日，廣西大學朱艷秋教授團隊在《Chemical Engineering Journal》期刊上發表了題為「Selective laser sintering of PEG treated inorganic fullerene-like tungsten disulfide nanoparticles/polyamide 12 nanocomposites and fire safety behavior」的論文，採用選擇性激光燒結(SLS)工藝成功製備了一系列具有優異熱性能、機械性能和防火安全性的 PA12/PEG處理的無機富勒烯硫化鎢（F-IF-WS2）納米複合材料。使SLS成型工藝製備PA12基納米複合材料的阻燃研究得到了拓展和深化。

本文要點：

1.IF-WS2納米粒子用濃硫酸和PEG進行化學表面處理，合成了表面富含-OH基團的F-IF-WS2納米粒子。這導致 PA12分子鏈和F-IF-WS2納米粒子-OH...N和-OH...O在PA12 表面上的明顯氫鍵行為，以及F-IF-WS2的有效分散。將F-IF-WS2納米顆粒與PA12基體相結合，將為生產適用於SLS成型的阻燃複合粉末創造新的可能性。在SLS成型過程中，分子間界面粘附力和層間粘附強度得到了提高，並對SLS成型的納米複合材料進行了機械和熱物理測試。同時對該納米複合材料的防火安全行為進行了深入研究。

圖1. (a) F-IF-WS2納米粒子的製備示意圖；(b)粉末PA12/IF-WS2和PA12/F-IF-WS2納米複合材料的激光燒結工藝

2.與純 PA12 相比，PA12/IF-WS2(2%) 納米複合材料和PA12/F-IF-WS2(2%) 納米複合材料，分別比純PA12分別提高10%和12%。激光燒結PA12納米複合材料的應用領域是由其力學性能決定的。如圖3所示，添加IF-WS2和IF-WS2納米顆粒後，與純PA12相比，所有激光燒結PA12納米複合材料的斷裂拉伸強度均表現出優異的性能。PA12/F-IF-WS2(2%)納米複合材料的拉伸強度增加最為顯著。

圖2.SLS 製備的純 PA12、(a1, a2,a3)PA12/IF-WS2納米複合材料和(b1, b2, b3) PA12/F-IF-WS2納米複合材料的DMA曲線。

圖3. SLS 製備的純PA12、PA12/IF-WS2納米複合材料和 PA12/F-IF-WS2納米複合材料的力學性能

3.IF-WS2納米粒子有望賦予聚合物基體良好的阻燃性能。F-IF-WS2納米粒子的表面處理改善了它們與聚合物基質的相互作用，使PA12複合材料能夠最大限度地減少有效燃燒過程中產生的有害氣體。此外，兩種常見有害氣體CO和CO2的產率顯著降低。PA12/F-IF-WS2(4%)在相同燃燒情況下產生CO比純PA12減少 40.4%。與純PA12相比，F-IF-WS2表現出出色的毒性抑制特性，從而使PA12基體材料在熱失控期間具有良好的火災安全性。根據圖4、5、6的SEM、Raman和XPS等數據進一步證實了 F-IF-WS2納米顆粒可以增強PA12的防火安全性、更清潔的煙霧排放和凝聚相的阻燃體系，具有較高的防火安全性，並把其提高原因歸結於增加成碳和抑制毒性。

圖4. 純 PA12、PA12/IF-WS2、PA12/F-IF-WS2納米複合材料的燃燒行為

圖5.純 PA12(a1, a2, a3)、PA12/IF-WS2(2%)(b1, b2, b3)、PA12/IF-WS2(4%)(c1, c2, c3)、PA12/F-IF-WS2(2%)(d1, d2, d3)和 PA12/F-IF-WS2(4%)(e1, e2, e3)碳化殘留物的SEM 照片。PA12(a4)、PA12/IF-WS2(2%)(b4)、PA12/IF-WS2(4%)(c4)、PA12/F-IF-WS2(2%)(d4)和PA12/F-IF-WS2(4%)(e4)殘留物的拉曼光譜

圖6.純 PA12(a1, a2, a3)、PA12/IF-WS2(2%)(b1, b2, b3)、PA12/F-IF-WS2(2%)(c1, c2, c3)碳殘留物的XPS光譜

原文鏈接

Ding Chen, Xupeng Qin, Xinyuan Cao, Nannan Wang, Yanqiu Zhu, Selective laser sintering of PEG treated inorganic fullerene-like tungsten disulfide nanoparticles/polyamide 12 nanocomposites and fire safety behavior, Chemical Engineering Journal, 2022, 137644, ISSN 1385-8947,

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137644.

作者簡介

向上滑動閱覽

第一作者

陳丁，廣西大學在讀博士研究生，擅長納米功能材料、智能納米材料的合成和過程研究。特別是無機富勒烯納米顆粒的生長機理研究和表徵；以及對該特種材料大規模工業化應用的探索；增材製造新型高性能高聚物複合材料的研發等。已發表發表SCI論文10餘篇，第一作者發表3篇。

通訊作者

王南南助理教授，2013年4月-2018年6月於英國埃克塞特大學材料科學與工程專業攻讀博士學位，2018年7月-2019年3月廣西大學-清華大學聯合培養博士後，2019年3月–至今擔任廣西大學助理教授，發表SCI論文60餘篇，其中第一或通訊作者30餘篇，ESI高被引文章1篇，總被引用次數累計超750次，h因子15。主持廣西自然科學基金，青年科學基金項目，無機富勒烯納米材料增強新型可3D打印高性能耐磨高分子複合材料的研究。主要研究方向為新型納米功能材料、智能材料的合成及過程研究、高性能高分子複合材料的研發、過渡金屬複雜氧化物/硫化物納米材料表面改性以及富勒烯、石墨烯、碳納米管及其衍生物的合成及應用。