MXene与BC-NPA协同增强PLA/PCL复合薄膜的阻燃性能与力学性能研究

　　为解决PLA/PCL基复合材料阻燃性与力学性能难以兼顾的难题，研究人员通过将MXene与氮磷改性竹炭（BC-NPA）复配构建协同阻燃体系，采用溶剂浇铸法制备PLA/PCL/BC-NPA/MXene复合薄膜。结果表明，添加2.5% MXene使薄膜拉伸强度提升至17.47 MPa，断裂伸长率达240.75%，极限氧指数（LOI）提高至32.9 vol%，达到UL94 VTM0级，热释放率降低12.5%。该研究为开发高性能可降解材料提供了新策略。

　　

合成聚合物的广泛应用带来了严重的环境问题，尤其是其难以自然降解的特性导致"白色污染"加剧。与此同时，石油资源的日益枯竭促使人们寻找更环保的替代材料。生物可降解聚合物如聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL）因其优异的生物降解性和加工性能备受关注，但PLA固有的脆性和PCL较差的机械强度限制了其应用范围。更棘手的是，这些材料普遍存在易燃问题，而传统阻燃剂的加入往往以牺牲力学性能为代价。如何开发兼具优异阻燃性和机械性能的可降解复合材料，成为当前材料科学领域的重要挑战。

针对这一难题，研究人员开展了一项创新性研究，通过将二维过渡金属碳化物MXene与氮磷改性竹炭（BC-NPA）复配，构建协同阻燃增强体系。研究采用溶剂浇铸法制备PLA/PCL基复合薄膜，系统考察了不同MXene添加量对材料性能的影响。关键技术方法包括：X射线光电子能谱（XPS）分析化学成分，扫描电镜（SEM）观察微观形貌，热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性，极限氧指数（LOI）和微型燃烧量热仪（MCC）测试阻燃性能，以及万能试验机测定力学性能。

3.1 制备与形成机制
研究通过三步化学改性制备BC-NPA：羧基化、氨基化和植酸嫁接。MXene则通过LiF/HCl蚀刻Ti₃
AlC₂
（MAX相）获得。复合薄膜通过溶剂挥发法制备，MXene的层状结构能与聚合物链相互缠结，形成纳米复合网络。

3.2 化学成分分析
XPS证实了BC-NPA中N、P元素和MXene中Ti元素的存在。C 1s谱显示添加MXene后C-C键强度增加，N 1s谱检测到N-H（402.15 eV）和N-C（399.88 eV）键，P 2p谱显示O=P-O（133.88 eV）和P-O-C（132.94 eV）键，Ti 2p谱则检测到C-Ti-C（455.16 eV）等多种化学态，证实了材料的成功制备。

3.3 微观形貌分析
SEM显示添加2.5% MXene使薄膜断面更规整，孔隙分布有序；但过量MXene（7.5%）会导致粒子团聚，破坏材料均一性。

3.4 力学性能分析
2.5% MXene使薄膜拉伸强度达17.47 MPa（提高11.6%），断裂伸长率达240.75%（提高15.3%）。MXene的高长径比和界面粘附力有效分散应力，但过量添加会因团聚导致性能下降。

3.5 阻燃性能与机制
2.5% MXene使LOI提升至32.9 vol%，达UL94 VTM0级，热释放率（HR）降低12.5%。MXene的层状结构与BC-NPA协同作用：P元素促进脱水成炭，N元素释放NH₃
等气体，TiO₂
形成物理屏障，共同构建气-固双相阻燃体系。

结论与意义
该研究创新性地将MXene与BC-NPA复配，成功解决了PLA/PCL复合材料阻燃性与力学性能难以协同提升的难题。2.5% MXene的添加使材料综合性能达到最佳，拉伸强度提升15.53%，LOI提高7.87%，且制备方法简单高效。这项工作不仅为开发高性能可降解材料提供了新思路，也拓展了MXene在聚合物改性中的应用前景，对推动绿色材料在包装、医疗等领域的应用具有重要意义。研究成果发表在《Industrial Crops and Products》上，为生物基材料的多功能化设计提供了重要参考。