Composites Part A：基于Ti3C2 MXene的高性能热导电弹性体复合材料

一、文章概述

本研究中，作者提出了一种单层Ti3C2混合二氧化硅填料(Ti3C2-h-SiO2)来制备高性能的苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)弹性体复合材料。研究发现，结合二氧化硅不仅促进了Ti3C2-h-SiO2在SBR基质中的均匀分散，而且还赋予了Ti3C2-h-SiO2表面的纳米突起，以固定更多的橡胶链，从而改善了Ti3C2-h-SiO2和SBR基质之间的界面相互作用。因此，SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料与未填充的SBR相比的抗拉强度增强了174%。此外，SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料的湿滑阻力和滚动阻力也得到了显著的提高。值得注意的是，SBR/Ti3C2-hSiO2弹性体复合材料的特殊热导率（0.401W·m^-1·k^-1）和导电率（4.87×10^-4S·m^-1）与SBR/还原氧化石墨烯(rGO)弹性体复合材料相当，这意味着Ti3C2-h-SiO2的电导率可能与rGO具有竞争力。

二、图文导读

图1.制备SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料的示意图。

图2.SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料的性质关系图。

a、b为SBR弹性体复合材料的硫化曲线（图b的填充物含量为4phr）。

c、d为最大扭矩(MH)和SBR弹性体复合材料的最大扭矩和最小扭矩（ΔM）之间的差值。

图3.SBR弹性体复合材料的SEM图像。

a为SBR/Ti3C2-2、b为SBR/Ti3C2-4、c为SBR/Ti3C2-h-SiO2-2、d为SBR/Ti3C2-h-SiO2-4。

结果表明，Ti3C2不均匀地分布在SBR基质中，作为一个很大的聚集物（由红环标记）(图a)随着Ti3C2含量的增加(从2phr到4phr)变得越来越明显(图b),这可以抑制弹性体中Ti3C2在复合材料中的强化作用。相反，在SBR/Ti3C2-hSiO2弹性复合体(2phr)中，严重的聚集行为消失，Ti3C2-h-SiO2在SBR基质中以单层状态良好分散(图c)。尽管Ti3C2-h-SiO2的含量进一步增加，但在SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料（4phr）中仍保持均匀分散状态（图d)

图4.SBR弹性体复合材料在玻璃化过渡区域中的DSC曲线（填充物含量为4phr）。

通常，ΔC_pn的值与固定化橡胶链的体积密切相关，而ΔC_pn的减少通常意味着在玻璃化过渡期间移动性橡胶链的减少。虽然SBR弹性体复合材料的ΔC_pn值低于未填充的SBR，但SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料的ΔCpn值为最低(0.275Jg^-1·K^-1)，因此由Ti3C2-h-SiO2固定化的橡胶链大于Ti3C2的值。

图5.a和b为SBR弹性体复合材料的应力-应变曲线（图b的填充物含量为4phr）。c为抗拉强度和(d)SBR弹性体复合材料断裂时的伸长率。

SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料的应力和应变随着Ti3C2-h-SiO2含量的增加而单调增强，证实了Ti3C2-h-SiO2的增强作用(图a)。为了明显比较Ti3C2和Ti3C2-h-SiO2的加固效果，还进行了SBR/Ti3C2和SBR/Ti3C2-Tih-SiO2弹性复合材料拉伸强度和断裂伸长率的依赖性（图c和d）。

图6.(a)热性和(b)SBR弹性体复合材料的电导率。

如图a所示，随着填充量的增加，SBR弹性体复合材料的导热率不断提高，证明Ti3C2是理想的导热填料，而SBR/Ti3C2弹性体复合材料的导热率提升缓慢。图b，首先增加到Ti3C2含量达到4phr，然后随着进一步增加Ti3C2含量而略有下降，相反，SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性复合材料的电导率随着Ti3C2-h-SiO2含量的增加而单调提高，始终高于SBR/Ti3C2弹性复合材料，证明Ti3C2-h-SiO2赋予SBR基体的导电率优于Ti3C2。

三、全文总结

采用静电自组装方法成功合成了一种新型单层结构混合填料Ti3C2-h-SiO2，并应用于一种高性能的热导电SBR弹性体复合材料，二氧化硅的加入对Ti3C2在SBR弹性体复合材料中发挥重要作用至关重要。一方面，二氧化硅的存在促进了Ti3C2-h-SiO2在SBR基质中的均匀弥散，并改善了Ti3C2-h-SiO2与SBR基质之间的界面相互作用。另一方面，二氧化硅在Ti3C2-h-SiO2表面构造的纳米突起有助于固定橡胶链，促进固化过程，增强SBR弹性体复合材料的交联密度。基于上述优点，对SBR/Ti3C2-h-SiO2弹性体复合材料的力学性能进行了较高的湿滑性能和较低的滚动性能增强。考虑到SBR/Ti3C2-hSiO2弹性体复合材料的特殊热和电导率，它可能拥有更多的机会作为先进领域的候选者，如生物医学设备和软机器人。

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