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二硫化钼/橡胶复合材料研究进展*

更新时间:2016-07-05

近年来,纳米二硫化钼(MoS2)由于具有与石墨烯类似的二维层状结构,引起了研究者的广泛关注。MoS2晶体属于六方晶系,有1T、2H和3R三种晶体结构[1],其中2H-MoS2为稳定态结构。MoS2片层由上下两层硫原子和中间一层钼原子组成,在单元层内部,钼原子和硫原子以较强的共价键连接,而层与层之间以较弱的范德华力相连接[2],2H-MoS2结构如图1所示。

图1 2H-MoS2结构示意图

单层MoS2具有大比表面积、高模量和高强度[3]等特点,而直接带隙的存在使其具有半导体特性[4]和特殊的光电性质[5-6],因而MoS2在纳米复合材料、电子元器件等方面有广泛应用。MoS2与橡胶复合,能增强和改善橡胶的摩擦性能、导电性、热稳定性等,可实现橡胶材料的多功能化,拓展橡胶材料在传感器[7]1-2、光学元器件[8]10019等方面的应用。与橡胶/石墨烯复合材料类似[9],影响橡胶/MoS2复合材料性能的关键主要是MoS2在橡胶基体中的分散状况,以及MoS2片层与橡胶基体的界面结合作用。为了实现MoS2的纳米级分散,通常需要将多层MoS2进行充分剥离,得到尽可能多的单层MoS2。此外,由于MoS2表面含有极少的有机官能团,因而需要对MoS2纳米片层进行表面改性,以改善MoS2与橡胶基体的界面相容性。因此,当前大量的研究工作主要集中于MoS2的剥离和表面功能化方面。

1 MoS2的剥离方法

MoS2的剥离方法可以分为“自下而上”法和“自上而下”法两种[10]。“自上而下”法是基于块状晶体的剥离,主要包括机械剥离法、液相超声法、化学插层法等;“自下而上”法包括化学气相沉积法、水热法等。

1.1 机械剥离法

机械剥离法是获得二维纳米片的传统方法,通常是使用一种特殊的黏性胶带,通过反复剥离使MoS2的层数逐渐减少,最终得到单层MoS2[11-12],如图2所示。Novoselov等[13]在2005年采用该方法成功获得了单层MoS2,此方法虽然操作简单,对纳米材料的化学结构破坏小,但是单层MoS2的产量太低,难以满足对单层MoS2的用量需求。

图2 机械剥离法制备单层MoS2示意图

1.2 液相超声法

液相超声法先是将MoS2分散在与其表面能(约为70 mJ/m2)接近的溶剂中,通过一定能量的超声波作用,破坏层间作用力,将MoS2剥离,如图3所示。

图3 溶剂超声法示意图

然后通过离心分离、过滤、洗涤、真空干燥,得到MoS2纳米片层。2011年Coleman等[14]首先利用超声方式在溶液中将MoS2剥离,得到MoS2纳米片层。该方法可大量制备单层甚至数层MoS2,操作简便,成本较低。通过筛选溶剂和超声条件发现[15],可用于液相超声的溶剂从早期的高沸点有机溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)[16]、二甲基甲酰胺(DMF)[17]等发展到低沸点的混合溶剂如异丙醇/水[18]、乙醇/水[19]、纯水[20]40-41等,有效地降低了MoS2的液相超声剥离过程对环境的污染。

1.3 化学插层法

化学插层法是以二维片层材料为“主体”,插层剂为“客体”,将“客体”插入“主体”层间,再通过化学反应将片层分离。在20世纪80年代,研究者就利用该方法制备了MoS2的纳米片层[21]。目前,最常用的是锂离子插层剥离法[22-23],如图4所示,即将MoS2加入正丁基锂的正己烷溶液中,进行长时间搅拌,将锂离子引入片层之间,形成LixMoS2,从而增大MoS2的层间距。最后将产物转至水相,插层的锂离子与水反应生成氢气,促使片层相互分离,以获得单层MoS2的水分散液。此类方法剥离效果好、产率高,但较高的成本和苛刻的反应条件限制了这种方法的工业化运用。

图4 锂离子插层剥离MoS2示意图

1.4 化学气相沉积法

化学气相沉积法是将气态氧化钼和单质硫作为反应物,利用高纯度的氮气或氩气作为保护气,在反应容器中发生化学反应,经过沉积、冷却等步骤后得到形态和厚度均可控制的MoS2纳米片[24-25],如图5所示,但是该方法制备的MoS2片层成本较高,主要用于二维半导体器件的制作。

图5 化学气相沉积法制备MoS2纳米片示意图

1.5 水热法

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2 MoS2表面改性

目前对MoS2改性的方法主要有两种:第一种方法是静电离子吸附,第二种方法是硫原子位点缺失补偿。第一种改性方法是通过对表面活性剂如十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)[29]19-20、硅烷偶联剂[30]248、海藻酸钠(SA)[20]41-44、聚乙二醇(PEG)[28]207-208等的物理吸附或化学吸附,在MoS2表面形成吸附层,以改变MoS2的表面属性。例如,张涛等[29]19-21在MoS2乙醇悬浮液中加入CTAB,并在恒温水浴中搅拌24 h,通过静置、取上层清液、抽滤、洗涤、干燥等步骤得到CTAB改性MoS2。第二种改性方法,由于MoS2在剥离过程中会造成MoS2片层表面硫原子缺失[31],因此可利用巯基等官能团在S原子缺失点插入补位,构建化学键,从而实现MoS2表面化学改性。例如,Chou等[32]报道了用原子位点缺失补偿的方法来改性MoS2纳米片,如图6所示。在MoS2的硫原子缺失点引入带有活性官能团如氨基、羧基、羟基等的长链分子[33],如图7所示。相比第一种改性方法,第二种改性方法中长链分子的可设计性较好,而且长链分子与MoS2的界面结合作用更强。

图6 MoS2片层与配体结合结构模型示意图

图7 用于2H-MoS2缺失点补偿的配体

3 MoS2/橡胶纳米复合材料制备方法

MoS2/橡胶纳米复合材料的制备方法通常包括机械共混法[29]20、溶液共混法[34]3936和乳液共混法[35]94,不同的共混方法对复合材料的性能影响较大。机械共混法是采用开炼机或密炼机将MoS2和橡胶进行共混,这种方法虽然简便,但是MoS2在橡胶基体中难以分散均匀,容易发生团聚现象。溶液共混法是将橡胶溶解在某种溶剂中,并将MoS2在同一溶剂中剥离分散,再将二者搅拌混合均匀,最后去除溶剂,得到MoS2/橡胶纳米复合材料,溶液共混法由于使用大量有机溶剂,对环境会造成一定污染。乳液共混法通常是将剥离的MoS2加入到橡胶乳液中,混合搅拌均匀后,加入絮凝剂使MoS2和橡胶共沉析出,得到复合材料。乳液共混法有利于MoS2在橡胶中的均匀分散,而且没有溶剂污染,是一种较为环保实用的制备方法。

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4 MoS2/橡胶纳米复合材料

4.1 MoS2/丁腈橡胶(NBR)复合材料

Tang等[34]3934-3936在采用锂离子插层剥离法得到MoS2水溶液后,利用简单的溶剂交换法,即使用丙酮多次对剥离的MoS2进行溶解、离心、洗涤,得到质量浓度高达30~55 mg/mL的MoS2丙酮溶液,最后通过溶液共混法制得MoS2/NBR复合材料。当加入3份MoS2时,复合材料的拉伸强度比未加MoS2的NBR提高101%;而在MoS2丙酮溶液中加入十二硫醇对MoS2进行改性后,复合材料的强度进一步提高。Dong等[36]对比了层状和微球状MoS2纳米粒子对MoS2/NBR复合材料力学性能和摩擦性能的影响,同时构建应力模型,如图8所示。模型分析结果表明,层状MoS2可以降低橡胶复合材料的摩擦系数,但对改善复合材料力学性能作用不明显;而微球状MoS2不仅提高了复合材料的力学性能,而且降低了摩擦系数。Liang等[30]248-252分别采用CTAB、硅烷偶联剂(KH570)和聚乙二醇对MoS2进行表面改性,并通过机械共混法制备MoS2/NBR复合材料。研究表明,CTAB对MoS2的表面改性效果最好,当CTAB用量为10份时,MoS2/NBR复合材料摩擦系数最低达到0.8。

图8 层状MoS2/NBR和微球状MoS2/NBR复合材料的应力模型

4.2 MoS2/丁苯橡胶(SBR)复合材料

Tang等[35]94-99采用锂离子插层剥离法获得MoS2的水分散液,将其加入SBR胶乳中,通过乳液共混法制备了MoS2/炭黑(CB)/SBR复合材料。结果表明,当加入少量MoS2时,MoS2吸附在CB周围,使得CB不易团聚,橡胶的可活动链段增加;当加入较多MoS2时,两种填料相互接触,变成密实的混合填料网络,更多橡胶组分被封闭在填料网络(如图9所示),从而提高了复合材料的力学性能、动态力学性能和耐磨性能。当MoS2取代3份CB(N330)加入SBR中时,复合材料的模量和拉伸强度分别提高了50%和25%。刘力等[37]采用NMP液相超声法制备纳米MoS2悬浮液,将其加入到含有少量丁吡胶乳的丁苯胶乳中,制备了MoS2/丁吡橡胶/SBR橡胶纳米复合材料。其中丁吡橡胶不仅抑制了絮凝过程中MoS2片层的堆积,也实现了MoS2与SBR的界面桥接,使复合材料的磨耗大幅减小。张涛[38]使用三种复配改性剂分别对MoS2纳米片层进行表面改性,对比了机械共混和乳液共混两种混合方式对MoS2/SBR纳米复合材料力学性能和摩擦性能的影响。结果表明,当MoS2用量为20份时,采用乳液共混法制得的复合材料与未添加MoS2的复合材料相比,拉伸强度提高200%左右,摩擦系数降低57.1%;而采用机械共混法的复合材料的拉伸强度比纯SBR硫化胶提高129%,摩擦系数降低20%。

图9 增加MoS2用量时混合填料网络的演变过程

4.3 MoS2/天然橡胶(NR)复合材料

NR与多数合成橡胶相比,具有良好的综合物理机械性能、耐寒性和较高的回弹性。Weng等[39]通过锂离子插层剥离法制备单层MoS2,采用乳液共混法制备复合材料。研究表明,MoS2能显著改善NR中白炭黑的团聚现象,使橡胶分子链更易取向,从而促使NR在低应变下发生应变诱导结晶。MoS2/SiO2/NR复合材料的模量和拉伸强度比SiO2/NR复合材料分别提高70%和60%,60 ℃下的损耗因子降低30%。慕文伟等[40]在密炼机中制备了一种具有自润滑效果的NR/顺丁橡胶(BR)/MoS2复合材料,其具有优良的耐磨性能,动摩擦因数仅为未加入MoS2的复合材料的1/3,磨耗体积下降32%。

4.4 MoS2/硅橡胶复合材料

Topolovsek等[8]10016-10019采用锂离子插层剥离法得到MoS2纳米片层,并采用四氯金酸对MoS2表面进行纳米金颗粒的修饰后溶于氯仿溶液中。随后在溶液中加入可交联的硫代聚硅氧烷(PMMS),溶液混合后除去氯仿,得到透明的MoS2/PMMS复合薄膜。研究表明,巯基和纳米金颗粒间的相互作用使MoS2与PMMS形成整体,如图10所示。

图10 金纳米颗粒修饰MoS2与PMMS结合

同时PMMS分子链有效抑制了MoS2的团聚,改善了MoS2的分散性,使得复合材料具有较好的耐热性和光学特性,可用于制作可饱和吸收镜[41]或光学限幅器[42]等。Jorge等[7]2-4将液相超声法制备的MoS2纳米片加入液体硅橡胶中,制备MoS2/硅橡胶复合材料,利用MoS2的半导体特性,可制备柔性应力传感器。Brennan等[43]利用基于弯曲分层的计量技术计算了MoS2纳米片层和聚二甲基硅氧烷(PDMS)之间的界面附着力,其原理是利用弹性体和刚性纳米片材之间的弹性差异,在剥离过程中,MoS2纳米片层会自发形成褶皱和弯曲分层,如图11所示。利用原子力显微镜(AFM)对MoS2纳米片层的轮廓进行测量,进而计算出MoS2与硅橡胶的界面黏接力约为(18±2)mJ/m2

图11 MoS2产生褶皱弯曲过程示意图

4.5 MoS2和其它弹性体复合材料

任兴丽等[44]采用机械共混法制备MoS2/氟橡胶纳米复合材料,研究发现,MoS2可以减小复合材料的摩擦系数,降低磨耗,但也会损害复合材料的力学性能。当添加25份CB、10份MoS2或者20份白炭黑、10份MoS2时,复合材料兼具良好的力学性能和耐磨性能。

   

5 结束语

利用纳米MoS2所特有的大比表面积、高模量、高强度、阻燃、阻隔、半导体特性和特殊的光电特性,可制备新型纳米MoS2/橡胶复合材料,实现橡胶的多功能化。未来MoS2/橡胶复合材料研究发展存在以下几个方面的挑战和机遇:(1)开发低成本、高效率、高产能、绿色环保的纳米MoS2剥离方式;(2)改进纳米MoS2和橡胶共混方法,实现简单、节能、高效生产;(3)深入开展MoS2与橡胶的界面研究,设计开发更多的MoS2界面改性剂;(4)进一步实现MoS2/橡胶复合材料的多功能化,开发MoS2/橡胶复合材料更多的应用价值。

Wu等[45]采用机械共混法在聚醚酯热塑性弹性体(TPEE)中加入碳纳米管(CNTs)和MoS2。研究发现,加入质量分数为1%的 MoS2可以增加TPEE在燃烧中的残炭量,通过扫描电镜照片和拉曼光谱分析表明,燃烧生成的无定型炭将CNTs和MoS2连接在一起,形成了紧密的填料网络,有效减缓了TPEE的燃烧分解速率,提高了复合材料的热稳定性和抗熔滴性能。

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人事档案是事业单位各项人事信息的真实客观记录,是事业单位人才储备与发展的基础。优化人事档案管理水平和质量,对于人力资源配置的优化配置意义重大。当前事业单位人事档案管理中存在着比较突出的问题,具体包括如下方面:

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船舶设备在安装中由于组件安装的体积较大,重量较大,因此在安装中通常借助起吊机,手工辅助机械装置,进行相关组件设备的安装。在此过程中分析大型组件设备安装中的减振措施,对于设备安装中的准确性提升意义重大。具体分析在实际发展中设备安装准确性的保障,对于设备后期的应用质量保障,以及设备的实际应用效果提升奠定了良好的基础。其中具体分析船舶设备安装的准确性,主要体现在船舶设备安装位置,安装高度,安装水平度的准确性,确保其设备组件后期在运行中的稳定性和合格性。

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2.3 蚊龄对吸血的影响 称重法吸血曲线显示,2~8 d龄按蚊的7.8 min吸血率均能维持40%以上,其中以6 d龄的按蚊的吸血率为最高,可达54.5%;而在10 d龄以后,按蚊的吸血率下降并维持在30%左右,见图2。

(4)注浆。φ48×3.5钢管周面带孔,端部密封,采用高压间歇注浆,注浆压力在0.5~1.0MPa之间。

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血清筛查是很有效的方法,一般是抽取孕妇2毫升血液,检测血清中甲胎蛋白(AFP)和绒毛膜促性腺激素(HGG)的浓度,结合孕妇预产期、年龄和采血时的孕周,计算出患唐氏征的危险系数。

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水热法是以水、MoS2的前驱体为反应物,在高温反应釜中进行化学反应,制备出不同形貌的MoS2纳米片[26-27]。例如,Wang等[28]207-208以(NH4)2MoS4为MoS2的前驱体,采用水热法合成了聚乙二醇修饰的MoS2纳米片。

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2012年区政府委托北京达沃斯巅峰旅游规划设计院编制了《重庆涪陵.武陵山旅游度假区总体规划(2012-2022)》,武陵山乡政府委托涪陵区规划勘测设计院编制了《重庆市涪陵区武陵山乡总体规划(2012-2020)》,武陵山旅游度假区将充分利用区位优势,挖掘自身特色,通过差异化打造,区域联动发展,有机融入大武陵山旅游圈[4]。

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陈旭明,郭建华
《弹性体》 2018年第02期
《弹性体》2018年第02期文献

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