图1 TOC MXene与MXene-PZN对EP的增强效果和阻燃机理对比

【正文要点】

图2.（a）复合材料EP/MXene-PZN制备示意图；（b）Ti₃C₂T_X与MXene-PZN在不同溶剂中分散情况

图3. Ti₃C₂T_X扫描电镜图（a）及透射电镜（b）；MXene-PZN透射电镜图（c）、扫描电镜图（d）及其对应的表面元素分布图：磷（e）、氮（f）

要点二：填料与EP基材的界面相互作用

图4. 复合材料液氮脆断截面SEM图（a）EP，（b）EP/MX-2.0，（c）EP/MX-P-2.0；更高倍数的SEM图及其对应的表面元素分布图EP/MX-2.0（b1），EP/MX-P-2.0（c1）

图5. 复合材料热分解图（TGA，DTG）

  通过对复合材料热分解图的分析（图5），发现了以407 ℃为转折点，在这一转折点之后，添加MXene-PZN的EP复合材料的热失重速率相比未改性Mxene与EP和复合材料和纯EP材料都明显降低。值得注意的是，这一温度转折点与MXene-PZN热重测试的DTG曲线中的最大热失重速率对应的温度相符合。根据以上发现，可以得出MXene-PZN与EP复合材料的热降解过程可以分为两个阶段，在第一阶段Ti₃C₂T_X的二维层状结构能够有效降低EP基材的热分解速率；而第二阶段即使添加量仅为0.5 % MXene-PZN的复合材料，其热分解速率也要低于添加2 %未改性的Ti₃C₂T_X的复合材料。这说明PZN与MXene之间存在协同作用，有可能避免了部分MXene的片层的降解，从而改善了复合材料在第二阶段的热稳定性，而这一点在后面的研究中也得到证实。

图7. 锥形量热测试后残炭的FTIR（a），XRD（b），XPS总谱（c）；钛元素的XPS分峰谱图EP/MX-2.0（d），EP/MX-P-2.0（e）以及磷元素的XPS分峰谱图（f）

图8. MXene-PZN体系的阻燃机理示意图

  基于上述分析，本文提出了MXene-PZN体系的阻燃机理，如图8所示。以温度（~407 ℃）为分水岭，将复合材料的燃烧过程分为两个主要阶段。首先，在达到407 ℃之前，PZN逐渐分解成各种低分子量的碎片，并释放出挥发性化合物（含磷和氮的不可燃气体）。一方面，这些小分子碎片可以被Ti₃C₂T_X催化，在Ti₃C₂T_X表面形成保护性炭层。此外，这些碎片还将与Ti₃C₂T_X反应以生成锐钛矿型TiO₂纳米颗粒和TiP₂O₇，其能够促进周围EP的炭化以形成保护性炭层。这两种炭层的形成都能保护Ti₃C₂T_X片层不被进一步分解，从而保持其层状结构，有效地抑制了热量扩散和气体渗透，从而减缓了燃烧反应。另一方面，这一阶段惰性气体的释放会形成气泡，引起残炭的体积膨胀，同时这些气体在气相中也会起到稀释可燃气体或与中断燃烧中自由基链式反应的作用。这两种作用都能抑制气相中的链式反应，从而提高EP/MXene-PZN复合材料的阻燃性能。在第二阶段，PZN分解生成的炭层在Ti₃C₂T_X和残余基体的界面上起到粘合剂的作用，通过形成碳-氧-磷键和钛-氧-磷键将它们结合在一起。此外，被保留下来的二维片层结构还能增强残炭层的力学性能。最终，形成膨胀的、连续的、完整的和高度致密的残余炭层。这种完整的固体炭层在第二阶段有效地抑制了热量和氧气向残余基体的渗透，从而抑制了燃烧的扩散。在第二阶段，与未改性的EP/MXene相比，MXene-PZN保留了层状结构，在形成高质量的残炭中起关键作用，这也是第二阶段发挥阻燃性能的原因。

要点五：结论与展望

【文章链接】

  Construction of Polyphosphazene-Functionalized Ti₃C₂T_X with High Efficient Flame Retardancy for Epoxy and its Synergetic Mechanisms

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141049

【作者团队简介】

  云南省磷化工节能与新材料重点实验室：以磷化工节能新技术与磷系新材料的科学问题与共性关键技术为主线，瞄准磷化工节能减排与磷系新材料研究前沿，在磷化工节能与新材料领域开展基础和应用基础研究。实验室的主要目标是将磷化工产业的转型升级与节能、绿色能源、阻燃安全相结合，变革黄磷生产方法，实现热法磷酸全热能回收利用，开展磷石膏的高值化技术开发；实现纳米黑磷的产业化制备及其在储能、阻燃领域的应用；开展磷氮阻燃材料合成与制备、二维材料与磷氮复合高效阻燃高分子材料的阻燃机理及其产业化研究与技术开发；开展磷掺杂多孔碳材料及其电催化氧还原/析氧性能研究，磷系催化剂的水体稳定性及对有机物的光降解机制研究，高效稳定的气体分离膜与高性能全固态电解质膜的制备研究。

【课题组介绍】

  云南省磷化工节能与新材料重点实验室：以磷化工节能新技术与磷系新材料的科学问题与共性关键技术为主线，瞄准磷化工节能减排与磷系新材料研究前沿，在磷化工节能与新材料领域开展基础和应用基础研究。实验室的主要目标是将磷化工产业的转型升级与节能、绿色能源、阻燃安全相结合，变革黄磷生产方法，实现热法磷酸全热能回收利用，开展磷石膏的高值化技术开发；实现纳米黑磷的产业化制备及其在储能、阻燃领域的应用；开展磷氮阻燃材料合成与制备、二维材料与磷氮复合高效阻燃高分子材料的阻燃机理及其产业化研究与技术开发；开展磷掺杂多孔碳材料及其电催化氧还原/析氧性能研究，磷系催化剂的水体稳定性及对有机物的光降解机制研究，高效稳定的气体分离膜与高性能全固态电解质膜的制备研究。

【通讯作者简介】

  谢于辉简介：2019年博士毕业于华南理工大学；2017年10月至2019年10月，获国家留学基金委资助，赴美国加州大学伯克利分校学习；2020年入职昆明理工大学化学工程学院。主要从事金属腐蚀与防护、电化学、功能改性聚合物等方面的研究。以第一/通讯作者发表学术论文20余篇，授权专利4项。

  谢德龙简介：昆明理工大学化学与工程学院教授，博士生导师。2010年毕业于华南理工大学，随后在瑞士联邦理工学院进行博士后研究，2015年加入昆明理工大学化学工程学院，主要研究方向包括：1）磷系阻燃剂的合成及阻燃高分子；2）聚合物胶体科学与工程及其在纳米复合材料设计和制备中应用；3）环境友好型涂料、粘合剂等精化化工产品等。发表学术论文90余篇，申请发明专利50余项（授权专利20余项，技术转让专利4项）；首批入选云南省高层次引进人才“青年人才”，曾获2020年度全国石油和化工行业优秀科技工作者、重庆市交通科学技术奖一等奖和中国交通运输协会科学技术二等奖等。主持国家自然科学基金项目、云南省重大科技专项及横向委托项目等项目10余项。兼任中国化工教育协会第五届理事会理事、云南化学化工学会第十届监事会理事、中国化学快报青年编委。