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聚乳酸/MoS₂/碳納米管復合材料的增強熱性能

【引言】

傳統石油基商品樹脂在各種應用中的大量使用，導致其生態足跡不可避免地上升。為了抵消這種影響，人們開發了各種新型的環保可生物降解聚合物。聚乳酸具有生物可降解性、低溫室氣體排放和低產能等優點，目前已成為傳統高分子材料的主要替代材料之一。

【成果介紹】

本研究利用金屬氧化物（M_xO_y）納米顆粒對少層二硫化鉬（MoS₂）進行功能化處理，在化學氣相沉積（CVD）過程中作為碳納米管（CNT）生長的催化劑。所制備的MoS₂/MxOy/CNT功能化納米材料用于聚乳酸（PLA）的阻燃應用。采用雙螺桿擠出機對復合材料進行了擠出，并對復合材料的質量分數進行了研究。對所得復合材料進行了完整的形貌表征，并詳細分析了所獲得的復合材料相對于原始PLA和含有復合材料添加劑的PLA的防火性能。添加MoS₂/M_xO_y/CNT的樣品在熱解過程中的二氧化碳（CO）排放量比原始PLA減少了90%以上。微型燃燒量熱測試顯示，與原始聚乳酸相比，關鍵參數有所降低。采用激光閃光裝置（XFA300，Linseis）測量了樣品的熱導率。結果分析表明，復合材料樣品的熱導率比原始PLA提高了65%。這些結果證明，碳納米管修飾的MoS₂等少層二維納米材料可以有效地用作PLA的阻燃材料。

【圖文導讀】

圖1：少層MoS₂的TEM（A）、AFM（B）圖像及AFM（C）高度剖面分析。

圖2：MoS₂/Co₂O₃（A-C）、MoS₂/Fe₂O₃（D-F）和MoS₂/Ni₂O₃（G-I）納米顆粒的TEM圖像。

圖3：MoS₂/Co₂O₃/CNT（A-C）、MoS₂/Fe₂O₃/CNT（D-F）和MoS₂/Ni₂O₃/CNT（G-I）納米顆粒的TEM圖像。

圖4：PLA復合材料的TGA曲線與原始PLA的比較。

圖5：PLA復合材料的CO排放與原始PLA的比較。

圖6：原始PLA和PLA復合材料的HRR曲線示例。

【結論】

為了提高PLA的防火性能，采用雙螺桿擠出共混法制備了少層MoS₂和MoS₂/M_xO_y/CNT納米材料，并將其引入PLA復合材料中。熱重分析顯示，含有0.5 wt%的少層MoS2和2 wt%的MoS2/Co2O3/CNT樣品的T_max值分別降低了40°C和65°C。由于添加了幾層MoS₂，觀察到形成了燒焦殘渣層，在含有1 wt%MoS₂的樣品的燃燒過程中，CO排放減少了近70%。通過將MoS₂/Fe₂O₃/CNT引入PLA基體中，CO排放量降低了90%以上。MCC分析表明，MoS₂和MoS₂/Fe₂O₃/CNT復合材料性能好，而MoS₂/Co₂O₃/CNT和MoS₂/Ni₂O₃/CNT復合材料在PLA主燃燒前表現出強烈的二級效應，并且在0.5 wt%和1 wt%的FR下表現出阻擋層的不穩定性。所有復合材料的熱導率都比原始PLA提高，當復合材料中添加2%的由于碳納米管的存在，MoS₂/Fe₂O₃/CNT。綜上所述，引入少層MoS₂和CNT功能化的MoS₂納米材料在降低PLA的火災危險性方面顯示出良好的潛力，這將有助于理論研究和實際應用。