×
Мембраните от арамидни нанофибри (ANF) притежават широки приложни перспективи в много области поради уникалните си свойства. Въпреки това, как да повиши още повече тяхната механична якост, докато се намалява топлопроводимостта, е въпрос, който в момента е в центъра на изследванията и представлява голямо предизвикателство в тази област. Традиционните методи имат очевидни ограничения при създаването на силни мрежи от водородни връзки за подобряване на характеристиките на ANF мембраните; следователно съществува настоятелна нужда от нови стратегии за оптимизиране на структурата и експлоатационните качества на ANF мембраните.
Показан е процесът на подготовка на pAMNFs (процесът на депротониране на pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), направено е сравнение между двумерната планарна водородна структура на pANFs и тримерната водородна структура на pAMNFs, маркирана е частта "Нано влакна 'джунглоподобна структура'", и това е свързано със съответната диаграма за механична якост.
l Основна стратегия: Въвежда се стратегия на "двойно депротониране" за обработка на арамидни нано влакна (ANFs) с цел създаване на тримерна водородна връзка.
Фурие-трансформирана инфрачервена спектроскопия (FT-IR) и рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) се използват за анализ на повърхностната химична структура на влакната и се проверяват промените в полярните функционални групи.
Атомно-силова микроскопия (AFM) и сканираща електронна микроскопия (SEM) се използват за наблюдение на микротопографията на влакната и мембраните, за да се разбере структурната оптимизация.
l Тестване на свойства:
Универсалната машина за изпитване се използва за тестване на механичните показатели на мембраните, като якост на опън и модул на еластичност. Лазерният метър за топлопроводимост се използва за измерване на топлопроводимостта на мембраните и оценка на тяхната топлоизолационна способност.
Включва изображения от атомно-силовия микроскоп (AFM) с височинен сензор (с отбелязани данни за височината на различни позиции: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm и др.), изображения от сканиращия електронен микроскоп (SEM) (сравнение на микроморфологията между pANFs и pAMNFs-30 на мащаба 500 nm), криви на разпределение на размера на порите във функция на относителното налягане и криви на разпределение на размера на порите във функция на обема на порите, изчислени по метода на Барет-Джойнър-Халенда (BJH), които демонстрират разликите в микроструктурата на тънките филми преди и след обработката.
Успешно е конструирана триизмерна водородна връзка. Ефектът от двойното депротониране генерира повече полярни групи на повърхността на арамидните нано влакна (ANF), създавайки благоприятни условия за формирането на триизмерна водородна връзка между влакната. Резултатите от тестовете с Фурие-трансформирана инфрачервена спектроскопия (FT-IR) и Рентгенов фотоелектронна спектроскопия (XPS) показаха, че броят на полярните функционални групи на повърхността на влакната се увеличава значително след обработката, осигурявайки повече активни места за формиране на водородни връзки и в крайна сметка водейки до успешното изграждане на стабилна триизмерна водородна връзка.
Представя множество комплекти графики с данни за механичните свойства: криви на щракване-напрежение при опън (сравняване на pANFs с pAMNFs с различно съдържание на PMIA), графика на връзката между съдържанието на PMIA и свойствата в pAMNFs, криви на ефекта на температурата върху якостта/якостта и схематична диаграма на преноса на натоварване на интерфейса между pANFs и pAMNFs-30, интуитивно демонстрирайки ефекта от подобрени механични свойства.
Механичните свойства са значително подобрени.
Благодарение на поддържащия ефект на тримерната водородна връзка, механичните свойства на мембраната от арамидни нано влакна (ANF) са значително подобрени. Експерименталните данни показват, че в сравнение с немодифицираната арамидна нано влакнеста мембрана, якостта на опън на композитната мембрана (pAMNFs) след двойна депротонна обработка може да се увеличи няколко пъти, а също така модулът на еластичност е значително подобрен, което ѝ придава по-силна конкурентна предимства в приложенията на високо якостни материали.
Включва спектри на Фурие-трансформирана инфрачервена спектроскопия (FT-IR) (с позиции на характерни пикове като N-H огъване, C=O⋅⋅⋅H разтягане и N-H разтягане, обозначени), спектри на рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) на C 1s орбитала на свързване, криви на разпределението на разстоянията на водородните връзки и криви на времето на живот на водородните връзки в сравнение с времето, което потвърждава промените в химичната структура и усилването на взаимодействието на водородните връзки след двойната депротонизация.
Топлопроводимостта е значително намалена.
Наличието на тримерната мрежа от водородни връзки оказва очевиден затрудняващ ефект върху топлопередачата, което води до значително намаляване на топлопроводимостта на композитната мембрана (pAMNFs). Резултатите от тестовете показват, че топлопроводимостта на тази мембрана може да бъде намалена до изключително ниско ниво, демонстрирайки отлична топлоизолационна способност и проявявайки добро приложно потенциал в областта на топлоизолационните материали.
Оптимизация на микроструктурата
Снимки, направени със сканираща електронна микроскопия (SEM) и атомно-силова микроскопия (AFM), показват, че след двойна депротонираща обработка, арамидните нанофибри (ANF) в мембраната са подредени по-редовно, а връзката между влакната е по-плътна, като се формира еднородна и гъста микроструктура. Тази структурна оптимизация е една от важните причини за подобрението на механичната якост на пленката и намаляването на нейната топлопроводимост.
Представени са криви на модула на съхранение/модула на загубата в зависимост от температурата, диаграми за сравнение на топлопроводността (топлопроводността на pAMNFs-30 е ниска като 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), термогравиметрични (TG) криви, диаграми за сравнение на специфичната якост спрямо вязкостта на различни материали и сравнения на промените в ефективността между pAMNFs-30 и pANFs за различни периоди от време, което изчерпателно демонстрира механичните и топлинните предимства на тънкия филм.
Предложената в това проучване стратегия на "двойна депротонизация" успешно изгражда триизмерна водородна връзка в мембрани от арамидни нано влакна (ANF). Това не само ефективно подобрява механичната якост на мембраните, но и значително намалява тяхната топлопроводимост. Методът се отличава с проста операция и забележителни ефекти, като осигурява нов подход за оптимизация на свойствата на материали от арамидни нано влакна. В бъдеще се очаква тази високопроизводителна композитна мембрана (pAMNFs) да намери широко приложение в множество области като авиокосмостта, отвеждането на топлина от електронни устройства и високопроизводителни композитни материали, което ще стимулира технологичното развитие на свързаните индустрии.
EN
Горчиви новини
