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Aramid-Nanofaser-(ANF-)Membranen weisen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften breite Anwendungsperspektiven in zahlreichen Bereichen auf. Allerdings ist es zurzeit eine Forschungsfokussierung und eine wesentliche Herausforderung auf diesem Gebiet, wie man ihre mechanische Festigkeit weiter verbessern und gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit reduzieren kann. Traditionelle Methoden weisen deutliche Einschränkungen bei der Bildung starker Wasserstoffbrücken-Netzwerke auf, um die Leistungsfähigkeit von ANF-Membranen zu verbessern. Daher besteht ein dringender Bedarf nach neuen Strategien, um Struktur und Leistung von ANF-Membranen zu optimieren.
Es demonstriert den Herstellungsprozess von pAMNFs (der Deprotonierungsprozess von pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), zeigt den Vergleich zwischen der zweidimensionalen planaren Wasserstoffbrückenstruktur von pANFs und der dreidimensionalen Wasserstoffbrückenstruktur von pAMNFs, kennzeichnet das "Nanofasern 'Dschungel-Rahmen'", und verknüpft dies mit dem entsprechenden Diagramm der mechanischen Festigkeit.
l Kerntaktik: Einführung einer "Doppel-Deprotonierungs"-Taktik zur Behandlung von Aramid-Nanofasern (ANFs) zur Konstruktion eines dreidimensionalen Wasserstoffbrückennetzes.
Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FT-IR) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) werden eingesetzt, um die Oberflächenchemie der Fasern zu analysieren und Veränderungen in polaren funktionellen Gruppen zu überprüfen.
Atomkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) werden verwendet, um die Mikrotopografie von Fasern und Membranen zu beobachten, um so das Strukturdesign besser zu verstehen.
l Leistungstests:
Eine universelle Prüfmaschine wird verwendet, um die mechanischen Leistungskennzahlen von Membranen zu testen, wie z.B. die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul. Ein Laser-Wärmeleitfähigkeitsmessgerät kommt zum Einsatz, um die Wärmeleitfähigkeit von Membranen zu messen und ihre Wärmedämmeigenschaften zu bewerten.
Dazu gehören Atomic Force Microscopy (AFM)-Höhensensorbilder (mit Höhendaten an verschiedenen Positionen beschriftet: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm usw.), Scanning Electron Microscopy (SEM)-Bilder (Vergleich der Mikromorphologien zwischen pANFs und pAMNFs-30 auf der 500-nm-Skala), relative Druck-Porengrößenverteilungskurven sowie Porenvolumen-Porengrößenverteilungskurven basierend auf der Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-Methode, welche die Unterschiede in der Mikrostruktur der Dünnfilme vor und nach der Behandlung aufzeigen.
Ein dreidimensionales Wasserstoffbrückennetzwerk wurde erfolgreich aufgebaut. Der doppelte Deprotonierungseffekt erzeugte mehr polare Gruppen auf der Oberfläche der aromatischen Nanofasern (ANFs), wodurch günstige Voraussetzungen für die Bildung eines dreidimensionalen Wasserstoffbrückennetzwerks zwischen den Fasern entstanden. Die Testergebnisse der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigten, dass sich die Anzahl der polaren funktionellen Gruppen auf der Faserobefläche nach der Behandlung deutlich erhöhte. Dadurch wurden mehr aktive Stellen für die Ausbildung von Wasserstoffbrücken bereitgestellt, was letztendlich zum erfolgreichen Aufbau eines stabilen dreidimensionalen Wasserstoffbrückennetzwerks führte.
Es zeigt mehrere Datensätze von mechanischen Eigenschaftsdiagrammen: Zug-Dehnungs-Spannungs-Kurven (Vergleich von pANFs mit pAMNFs unterschiedlicher PMIA-Gehalte), ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen PMIA-Gehalt und Eigenschaften in pAMNFs, Kurven zum Einfluss der Temperatur auf Festigkeit/Zähigkeit sowie ein schematisches Diagramm des Lastübertragungsmechanismus an der Grenzfläche zwischen pANFs und pAMNFs-30, wodurch der Verstärkungseffekt der mechanischen Eigenschaften anschaulich verdeutlicht wird.
Mechanische Eigenschaften sind deutlich verbessert.
Durch den stützenden Effekt des dreidimensionalen Wasserstoffbrückennetzes wurden die mechanischen Eigenschaften der Aramid-Nanofaser-(ANF)-Membran erheblich verbessert. Experimentelle Daten zeigen, dass im Vergleich zur unbehandelten Aramid-Nanofaser-Membrane die Zugfestigkeit der Verbundmembrane (pAMNFs) nach doppelter Deprotonierung deutlich gesteigert werden kann, und auch der Elastizitätsmodul ist erheblich erhöht, was ihr einen stärkeren Wettbewerbsvorteil in Anwendungsszenarien mit hochfesten Materialien verleiht.
Dazu gehören Fourier-Transform-Infrarot-(FT-IR-)Spektren (mit Positionen charakteristischer Peaks wie N-H-Biegung, C=O⋅⋅⋅H-Streckung und N-H-Streckung gekennzeichnet), Röntgenphotoelektronenspektroskopie-(XPS-)C-1s-Bindungsenergie-Spektren, Wasserstoffbrückendistanz-Verteilungsfunktionen sowie Wasserstoffbrückenlebensdauer-Zeit-Kurven, die die Veränderungen in der chemischen Struktur sowie die Verstärkung der Wasserstoffbrückenbindung nach doppelter Deprotonierung belegen.
Die Wärmeleitfähigkeit ist erheblich reduziert.
Das Vorhandensein des dreidimensionalen Wasserstoffbrückennetzes übt eine deutliche hemmende Wirkung auf den Wärmetransport aus und führt somit zu einer erheblichen Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Verbundmembran (pAMNFs). Testergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit dieser Membran auf ein äußerst niedriges Niveau reduziert werden kann, was eine hervorragende Wärmedämmeigenschaft belegt und ein gutes Anwendungspotenzial im Bereich der Wärmedämmmaterialien aufzeigt.
Mikrostrukturoptimierung
Bilder, die mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) aufgenommen wurden, zeigen, dass sich die Aramid-Nanofasern (ANFs) in der Membran nach einer doppelten Deprotonationsbehandlung regelmäßiger anordnen und die Bindung zwischen den Fasern enger ist, wodurch eine gleichmäßige und dichte Mikrostruktur entsteht. Diese strukturelle Optimierung ist einer der wichtigen Gründe für die Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Films und die Verringerung seiner Wärmeleitfähigkeit.
Es zeigt Speichermodul/Verlustmodul-Temperatur-Kurven, Vergleichsdiagramme der Wärmeleitfähigkeit (die Wärmeleitfähigkeit von pAMNFs-30 ist so niedrig wie 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), Thermogravimetrische Analyse (TG)-Kurven, Vergleichsdiagramme der spezifischen Festigkeit vs. Zähigkeit verschiedener Materialien sowie Vergleiche der Leistungsänderungen zwischen pAMNFs-30 und pANFs über unterschiedliche Zeiträume und demonstriert damit umfassend die mechanischen und thermischen Vorteile des Dünnfilms.
Die in dieser Studie vorgeschlagene Strategie der "doppelten Deprotonierung" konstruiert erfolgreich ein dreidimensionales Wasserstoffbrückennetzwerk in Aramid-Nanofaser-(ANF)-Membranen. Dies verbessert nicht nur die mechanische Festigkeit der Membranen effektiv, sondern reduziert auch ihre Wärmeleitfähigkeit erheblich. Die Methode zeichnet sich durch einfache Handhabung und bemerkenswerte Wirkung aus und bietet einen neuen Ansatz zur Optimierung der Eigenschaften von Aramid-Nanofasermaterialien. In Zukunft wird erwartet, dass diese Hochleistungs-Verbundmembran (pAMNFs) in mehreren Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Wärmeabfuhr von elektronischen Geräten und Hochleistungs-Verbundwerkstoffen weit verbreitet eingesetzt wird und somit die technologische Entwicklung der zugehörigen Industrien vorantreibt.
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