基于PET胺解产物和MXenes的新材料的合成与表征

《ACS Sustainable Resource Management》：Synthesis and Characterization of a New Material Based on PET Aminolysis Product and MXenes

PET氨基解回收及MXene增强复合材料的电磁屏蔽性能研究。采用Jeffamine 2000催化PET解聚生成聚脲（PU），并添加不同浓度MXene（Mo2Ti2AlC3）制备复合涂层。通过SEM、XRD、TGA、DMA等分析发现，0.1g MXene时电磁屏蔽效率（SE）最高，但0.3g时因颗粒团聚导致性能下降。研究揭示了MXene含量与材料热稳定性、机械性能及屏蔽效率的阈值关系。

　　本研究介绍了一种通过氨基裂解技术实现PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）废弃物化学回收的新方法，并探讨了其在开发多功能智能涂层中的应用潜力。PET作为一种广泛应用于包装、纺织和涂层领域的热塑性聚合物，其市场需求持续增长，导致塑料废弃物的积累。为应对这一问题，化学回收技术提供了将PET转化为高附加值产品的可持续解决方案，从而减少对化石燃料的依赖。本研究引入了一种利用商业可得的聚醚胺——Jeffamine 2000（PPG 2000）作为氨基裂解剂的新方法，首次在相关文献中报道。Jeffamine 2000具有由重复的氧丙烯单元构成的主链结构，能够增强材料的柔韧性、韧性、化学和水的耐受性以及附着力。同时，它在高温下表现出良好的热稳定性，能够与多种聚合物（如环氧树脂和聚氨酯）兼容，并允许通过其反应性胺基进行化学改性。这些特性使得Jeffamine 2000在涂层、粘合剂、弹性体和复合材料中具有重要的应用价值。

在本研究中，通过Jeffamine 2000对PET进行氨基裂解，生成的裂解产物被用于合成聚氨酯（PU）衍生材料。为了进一步提升这些材料的性能，研究团队将MXene（一种二维材料，化学式为Mo?Ti?AlC?）以不同浓度（0.1、0.2和0.3 g）引入PU基体中，从而开发出多功能智能涂层。MXene因其独特的物理和化学特性而备受关注，包括优异的电导率、机械强度、表面特性和胶体稳定性。这些特性使其在电子、催化、传感和环境修复等多个领域具有广泛的应用前景。MXene表面通常被羟基（?OH）、氧（?O）或氟（?F）等功能基团终止，使其具有良好的亲水性，并能与多种化学物质形成强相互作用或键合。此外，MXene还具有较高的负Zeta电位，使其能够在水性介质中形成稳定的胶体分散体系。同时，MXene在电磁波吸收方面表现出色，使其在电磁干扰（EMI）屏蔽和能量存储等领域具有重要价值。

为了评估PU-MXene复合材料的电磁干扰屏蔽能力，研究团队采用了一种自制的波导实验装置，测量了其在X波段（8.2–12.4 GHz）的反射和透射特性。该频率范围在雷达系统、地面和卫星通信、交通监测传感器以及粒子加速器的射频（RF）源中具有重要的应用价值。然而，电磁干扰仍然对电子设备的性能造成严重影响，因此，开发轻质、高效的屏蔽材料成为当前研究的重点。研究团队探讨了多种材料，如导电聚合物、碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）和各种纳米复合材料，以满足不同应用对电磁屏蔽性能的要求。为了准确评估屏蔽性能，研究团队采用了一种广泛接受的方法——总电磁屏蔽效率（SE）的计算，该计算可以基于实验测量或数值模拟。

在本研究中，研究团队发现，当MXene含量为0.1 g时，PU-MXene-0.1样品表现出最高的电磁屏蔽效率。这一结果表明，适量的MXene可以有效提升材料的电磁屏蔽性能。然而，当MXene含量进一步增加到0.3 g时，材料的性能出现下降，这可能与MXene在PU基体中的聚集有关。MXene的高浓度可能导致其在材料内部形成团聚结构，从而降低其与基体之间的界面相互作用，影响材料的导电性和机械性能。这一现象表明，MXene的添加存在一个最佳浓度阈值，在此之上，其对复合材料的有益影响会减弱。因此，未来的研究需要探索如何在提高MXene添加量的同时，保持材料的优异性能，例如通过引入稳定剂或塑化剂，或在氨基裂解过程中直接使用MXene作为催化剂，以增强其在基体中的分散性和稳定性。

研究团队采用多种表征手段对所制备的PU-MXene复合材料进行了全面分析。首先，通过凝胶渗透色谱（GPC）分析了氨基裂解后PET的分子量，这对于设计具有特定性能的聚氨酯材料至关重要。GPC分析结果显示，裂解产物的分子量分布较为均匀，表明其在裂解过程中形成了稳定的低聚物。接着，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对材料的化学结构进行了分析，结果表明裂解产物与MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）之间形成了尿素键，从而确认了聚氨酯的合成过程。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的微观结构进行了观察，结果显示MXene在PU基体中具有良好的分散性，尤其在0.2和0.3 g含量时，其分布更为均匀。然而，没有观察到MXene层的剥离或展开现象，这表明MXene在基体中的分散主要以嵌入形式存在。

为了进一步分析MXene在复合材料中的分布和结构变化，研究团队进行了X射线衍射（XRD）实验。结果表明，随着MXene含量的增加，其晶向偏好从（106）转变为（004），这可能与MXene在PU基体中的取向变化有关。此外，MXene的加入导致PU基体的热性能、机械性能和电性能的变化。热分析结果表明，随着MXene含量的增加，材料的热稳定性有所提升，玻璃化转变温度（Tg）也相应增加。机械测试结果表明，不同MXene含量的复合材料表现出不同的机械性能，其中PU-MXene-0.2在1 MPa应力下表现出最高的刚性，而PU-MXene-0.3则表现出更好的柔韧性。这些结果表明，MXene的添加可以显著改变材料的机械行为，使其在不同的应用场景中具有不同的性能表现。

在电性能方面，研究团队采用了Nicholson-Ross-Weir（NRW）方法，同时提取了材料的电和磁参数。由于PU及其复合材料本质上是非磁性的，研究团队首先验证了所提取的磁导率数据是否符合这一特性，从而确保电参数的准确性。结果表明，PU-MXene-0.1样品的电导率和介电常数显著高于空白PU样品，这与其较高的电磁屏蔽效率（SE）相吻合。然而，当MXene含量增加到0.3 g时，其电性能并未继续提升，反而有所下降，这可能与MXene的聚集有关。因此，研究团队认为，MXene的添加量存在一个最佳范围，在此范围外，其对材料性能的提升效果会减弱。

此外，研究团队还通过接触角测量和表面自由能计算，评估了复合材料的表面特性。结果表明，随着MXene含量的增加，材料的亲水性有所变化，其表面自由能也相应调整。这些变化可能与MXene在基体中的分散状态和表面相互作用有关。例如，PU-MXene-0.3样品表现出更低的表面自由能，这可能与其较高的疏水性有关。这些表面特性对于材料在不同环境下的应用具有重要意义，例如在室内和室外环境中，材料的表面性能可能会影响其耐候性和适用性。

本研究的创新点在于首次将Jeffamine 2000作为氨基裂解剂用于PET的化学回收，并将MXene引入聚氨酯基体中以开发具有多功能性的智能涂层。这一方法不仅提供了一种新型的PET回收途径，还使得废弃物能够转化为高价值的复合材料，从而支持循环经济的目标。此外，研究团队还探讨了该方法在工业上的可行性，指出Jeffamine 2000的成本较高，MXene的单价也较为昂贵，因此，该方法更适合于高端技术领域，如柔性电子和智能涂层的应用。未来的研究需要进一步优化材料的制备工艺，以降低成本并提高MXene的分散性，从而拓展其在更广泛领域的应用潜力。

总的来说，本研究为PET废弃物的化学回收提供了一种新的策略，并通过引入MXene，成功开发出具有优异性能的多功能智能涂层。这些材料在电磁干扰屏蔽、热稳定性和机械性能方面表现出色，为未来绿色材料的开发和应用提供了重要的参考。研究结果表明，合理控制MXene的添加量和分散状态，是实现材料性能最大化的关键。同时，该研究也强调了在可持续发展背景下，化学回收技术对于减少塑料污染和实现资源循环利用的重要性。未来的研究可以进一步探索如何提高MXene的分散性和稳定性，以提升材料的综合性能，并推动其在工业中的广泛应用。