×
Οι μεμβράνες νανοϊνών aramid (ANF) διαθέτουν ευρείες προοπτικές εφαρμογών σε πολλούς τομείς λόγω των μοναδικών τους ιδιοτήτων. Ωστόσο, το πώς μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω η μηχανική τους αντοχή, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται η θερμική αγωγιμότητα, έχει γίνει αντικείμενο έρευνας και μείζον πρόκληση στον τομέα αυτό. Οι παραδοσιακές μέθοδοι παρουσιάζουν σαφείς περιορισμούς στη διαμόρφωση ισχυρών δικτύων δεσμών υδρογόνου για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των μεμβρανών ANF, γι’ αυτό υπάρχει η επείγουσα ανάγκη για νέες προσεγγίσεις που θα βελτιστοποιούν τη δομή και τις επιδόσεις των μεμβρανών ANF.
Παρουσιάζει τη διαδικασία παρασκευής των pAMNFs (η διαδικασία αποπρωτονίωσης των pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), παραθέτει τη σύγκριση μεταξύ της δισδιάστατης επίπεδης δομής δεσμών υδρογόνου των pANFs και της τρισδιάστατης δομής δεσμών υδρογόνου των pAMNFs, τοποθετεί ετικέτα στο "πλαίσιο 'τζούγκλας' των νανοϊνών" και το συνδέει με το σχετικό διάγραμμα της Μηχανικής Αντοχής.
l Βασική Στρατηγική: Εισαγωγή μιας στρατηγικής "διπλής αποπρωτονίωσης" για την επεξεργασία νανοϊνών αραμίδη (ANFs) με σκοπό τη δημιουργία τρισδιάστατου δικτύου δεσμών υδρογόνου.
Η Φασματοσκοπία Μετασχηματισμού Fourier Υπερύθρου (FT-IR) και η Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Ακτίνων-Χ (XPS) χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της επιφανειακής χημικής δομής των ινών και την επαλήθευση των μεταβολών στις πολικές λειτουργικές ομάδες.
Η Περισκοπική Μικροσκοπία Ατομικών Δυνάμεων (AFM) και η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) χρησιμοποιούνται για την παρατήρηση της μικροτοπογραφίας των ινών και μεμβρανών, προκειμένου να κατανοηθεί η βελτιστοποίηση της δομής.
l Δοκιμές Απόδοσης:
Ένα πανεπιστημιακό μηχάνημα δοκιμών χρησιμοποιείται για να δοκιμάζει τα μηχανικά χαρακτηριστικά των μεμβρανών, όπως η αντοχή σε εφελκυσμό και το μέτρο ελαστικότητας. Ένας μετρητής θερμικής αγωγιμότητας laser εφαρμόζεται για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας των μεμβρανών και την αξιολόγηση της θερμικής μόνωσης.
Περιλαμβάνει εικόνες από τον αισθητήρα ύψους της Πρηνικής Δύναμης Μικροσκοπίας (AFM) (με δεδομένα ύψους σε διαφορετικές θέσεις που επισημαίνονται: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm, κ.λπ.), εικόνες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM) (σύγκριση της μικρομορφολογίας μεταξύ pANFs και pAMNFs-30 στην κλίμακα 500 nm), καμπύλες κατανομής πόρων σχετικής πίεσης, καθώς και καμπύλες κατανομής όγκου πόρων-μεγέθους πόρων με βάση τη μέθοδο Barrett-Joyner-Halenda (BJH), δείχνοντας τις διαφορές στη μικροδομή των λεπτών υμενίων πριν και μετά την επεξεργασία.
Ένα τρισδιάστατο δίκτυο δεσμών υδρογόνου κατασκευάστηκε με επιτυχία. Το φαινόμενο της διπλής αποπρωτονίωσης δημιούργησε περισσότερες πολικές ομάδες στην επιφάνεια των αραμιδικών νανοϊνών (ANFs), δημιουργώντας ευνοϊκές συνθήκες για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου δικτύου δεσμών υδρογόνου μεταξύ των ινών. Τα αποτελέσματα των δοκιμών Φασματοσκοπίας Μετασχηματισμού Fourier Υπερύθρου (FT-IR) και Φωτοηλεκτρονιακής Φασματοσκοπίας Ακτίνων-Χ (XPS) έδειξαν ότι ο αριθμός των πολικών λειτουργικών ομάδων στην επιφάνεια των ινών αυξήθηκε σημαντικά μετά την επεξεργασία, παρέχοντας περισσότερες ενεργές θέσεις για τη δημιουργία δεσμών υδρογόνου και οδηγώντας τελικά στην επιτυχή κατασκευή ενός σταθερού τρισδιάστατου δικτύου δεσμών υδρογόνου.
Παρουσιάζει πολλαπλά σύνολα διαγραμμάτων μηχανικών ιδιοτήτων: καμπύλες εφελκυστικής παραμόρφωσης-τάσης (σύγκριση pANFs με pAMNFs διαφορετικών περιεκτικοτήτων PMIA), ένα διάγραμμα της σχέσης μεταξύ περιεκτικότητας PMIA και ιδιοτήτων στα pAMNFs, καμπύλες της επίδρασης της θερμοκρασίας στην αντοχή/σκληρότητα, καθώς και ένα διαγραμματικό σχήμα της ενδιάμεσης μεταφοράς φορτίου μεταξύ pANFs και pAMNFs-30, δείχνοντας εποπτικά το ενισχυτικό αποτέλεσμα στις μηχανικές ιδιότητες.
Οι μηχανικές ιδιότητες ενισχύονται σημαντικά.
Επωφελούμενος από το υποστηρικτικό αποτέλεσμα του τρισδιάστατου δικτύου υδρογονο-δεσμών, οι μηχανικές ιδιότητες της μεμβράνης από νανοϊνά αραμίδιου (ANF) έχουν βελτιωθεί σημαντικά. Τα πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι, σε σχέση με την μεμβράνη νανοϊνά αραμίδιου χωρίς επεξεργασία, η αντοχή σε εφελκυσμό της σύνθετης μεμβράνης (pAMNFs) μετά από διπλή αποπρωτονίωση μπορεί να αυξηθεί πολλές φορές, ενώ το μέτρο ελαστικότητας είναι επίσης σημαντικά βελτιωμένο, προσδίδοντάς της ισχυρότερο ανταγωνιστικό πλεονέκτημα σε εφαρμογές υλικών υψηλής αντοχής.
Περιλαμβάνει φάσματα Μετασχηματισμού Fourier Υπερύθρου (FT-IR) (με τις θέσεις χαρακτηριστικών κορυφών, όπως η κάμψη N-H, η ταλάντωση C=O⋅⋅⋅H και η ταλάντωση N-H να είναι επισημασμένες), φάσματα ενέργειας δεσμού τροχιακού C 1s από Φασματοσκοπία Φωτοηλεκτρονίων Χ-ακτίνων (XPS), καμπύλες συνάρτησης κατανομής αποστάσεων δεσμού υδρογόνου και καμπύλες διάρκειας δεσμού υδρογόνου σε σχέση με τον χρόνο, επαληθεύοντας τις αλλαγές στη χημική δομή και την ενίσχυση της αλληλεπίδρασης δεσμού υδρογόνου μετά τη διπλή αποπρωτονίωση.
Η Θερμική Αγωγιμότητα Μειώνεται Σημαντικά.
Η παρουσία του τρισδιάστατου δικτύου δεσμών υδρογόνου ασκεί ξεκάθαρο αποτρεπτικό αποτέλεσμα στη μεταφορά θερμότητας, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της θερμικής αγωγιμότητας της σύνθετης μεμβράνης (pAMNFs). Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι η θερμική αγωγιμότητα αυτής της μεμβράνης μπορεί να μειωθεί σε εξαιρετικά χαμηλό επίπεδο, δείχνοντας εξαιρετική απόδοση θερμικής μόνωσης και παρουσιάζοντας καλή δυνατότητα εφαρμογής στον τομέα των υλικών θερμικής μόνωσης.
Βελτιστοποίηση Μικροδομής
Οι εικόνες που λήφθηκαν με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) και Ατομική Μικροσκοπία Δύναμης (AFM) δείχνουν ότι μετά την επεξεργασία διπλής αποπρωτονίωσης, οι αραμιδικές νανοϊνές (ANFs) στη μεμβράνη είναι πιο κανονικά διατεταγμένες και η σύνδεση μεταξύ των ινών είναι σφιχτότερη, δημιουργώντας μια ομοιόμορφη και πυκνή μικροδομή. Η βελτιστοποίηση αυτής της δομής αποτελεί έναν από τους σημαντικούς λόγους για τη βελτίωση της μηχανικής αντοχής της μεμβράνης και τη μείωση της θερμικής της αγωγιμότητας.
Παρουσιάζει καμπύλες μέτρου αποθήκευσης/μέτρου απωλεστών σε σχέση με τη θερμοκρασία, διαγράμματα σύγκρισης της θερμικής αγωγιμότητας (η θερμική αγωγιμότητα του pAMNFs-30 είναι μόλις 0.0626 W·m⁻¹·K⁻¹), καμπύλες θερμογραβιμετρικής ανάλυσης (TG), διαγράμματα σύγκρισης ειδικής αντοχής ως προς την ολκιμότητα διαφορετικών υλικών, καθώς και συγκριτικές μεταβολές απόδοσης μεταξύ pAMNFs-30 και pANFs σε διαφορετικές χρονικές περιόδους, αποδεικνύοντας έτσι πλήρως τα μηχανικά και θερμικά πλεονεκτήματα της λεπτής μεμβράνης.
Η στρατηγική της «διπλής αποπρωτονίωσης», η οποία προτάθηκε στην παρούσα μελέτη, καταφέρνει με επιτυχία να δημιουργήσει ένα τρισδιάστατο δίκτυο δεσμών υδρογόνου στις μεμβράνες αραμίδης νανοϊνών (ANF). Αυτό δεν βελτιώνει μόνο αποτελεσματικά τη μηχανική αντοχή των μεμβρανών, αλλά μειώνει σημαντικά και τη θερμική τους αγωγιμότητα. Η μέθοδος χαρακτηρίζεται από απλή εφαρμογή και σημαντικά αποτελέσματα, παρέχοντας μια νέα προσέγγιση για τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των υλικών αραμίδης νανοϊνών. Στο μέλλον, αναμένεται ότι η πολυσύνθετη μεμβράνη υψηλής απόδοσης (pAMNFs) θα βρει ευρεία εφαρμογή σε πολλούς τομείς, όπως στην αεροδιαστημική, στην απαγωγή θερμότητας ηλεκτρονικών συσκευών και σε υλικά σύνθεσης υψηλής απόδοσης, προάγοντας έτσι την τεχνολογική εξέλιξη των σχετικών βιομηχανιών.
EN
Τελευταία Νέα
