Las membranas de nanofibras de aramida (ANF) poseen amplias perspectivas de aplicación en numerosos campos debido a sus propiedades únicas. Sin embargo, cómo mejorar aún más su resistencia mecánica mientras se reduce su conductividad térmica se ha convertido en un foco actual de investigación y un desafío importante en este campo. Los métodos tradicionales presentan limitaciones evidentes en la construcción de redes de enlaces de hidrógeno fuertes para mejorar el desempeño de las membranas ANF; por lo tanto, existe una urgente necesidad de nuevas estrategias para optimizar la estructura y el desempeño de dichas membranas.
Muestra el proceso de preparación de pAMNFs (el proceso de desprotonación de pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), presenta la comparación entre la estructura de enlace de hidrógeno bidimensional planar de pANFs y la estructura de enlace de hidrógeno tridimensional de pAMNFs, etiqueta el "marco 'jungle' de nanofibras" y lo asocia con el diagrama relevante de Resistencia Mecánica.
l Estrategia Principal: Introducir una estrategia de "doble desprotonación" para tratar nanofibras de aramida (ANFs) con el fin de construir una red de enlaces de hidrógeno tridimensional.
Se emplea Espectroscopía Infrarroja de Transformada de Fourier (FT-IR) y Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS) para analizar la estructura química superficial de las fibras y verificar los cambios en los grupos funcionales polares.
Se utilizan Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para observar la microtopografía de fibras y membranas, con el fin de comprender la optimización estructural.
l Pruebas de Rendimiento:
Una máquina universal de ensayos se utiliza para probar los indicadores del desempeño mecánico de las membranas, tales como la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad. Un medidor láser de conductividad térmica se emplea para medir la conductividad térmica de las membranas y evaluar su rendimiento de aislamiento térmico.
Incluye imágenes del sensor de altura de microscopía de fuerza atómica (AFM) (con datos de altura etiquetados en diferentes posiciones: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm, etc.), imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) (comparación de micro morfologías entre pANFs y pAMNFs-30 a escala de 500 nm), curvas de distribución del tamaño de poro en función de la presión relativa y curvas de distribución del volumen de poro frente al tamaño de poro basadas en el método Barrett-Joyner-Halenda (BJH), que demuestran las diferencias en la microestructura de las películas delgadas antes y después del tratamiento.
Se construyó con éxito una red de enlaces de hidrógeno tridimensional. El efecto de doble desprotonación generó más grupos polares en la superficie de las nanofibras de aramida (ANFs), creando condiciones favorables para la formación de una red de enlaces de hidrógeno tridimensional entre las fibras. Los resultados de las pruebas de Espectroscopía Infrarroja de Transformada de Fourier (FT-IR) y Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS) mostraron que el número de grupos funcionales polares en la superficie de las fibras aumentó significativamente después del tratamiento, proporcionando más sitios activos para la formación de enlaces de hidrógeno y conduciendo así a la exitosa construcción de una red de enlaces de hidrógeno tridimensional y estable.
Presenta múltiples conjuntos de gráficos de datos de propiedades mecánicas: curvas de tensión-deformación a tracción (comparando pANFs con pAMNFs de diferentes contenidos de PMIA), un gráfico de la relación entre el contenido de PMIA y las propiedades en pAMNFs, curvas del efecto de la temperatura sobre la resistencia/tenacidad, y un diagrama esquemático de la transferencia de carga interfacial entre pANFs y pAMNFs-30, demostrando intuitivamente el efecto de mejora en las propiedades mecánicas.
Las Propiedades Mecánicas Se Mejoran Significativamente.
Aprovechando el efecto de soporte de la red de enlaces de hidrógeno tridimensional, las propiedades mecánicas de la membrana de nanofibras de aramida (ANF) se han mejorado considerablemente. Los datos experimentales muestran que, en comparación con la membrana de nanofibras de aramida sin tratar, la resistencia a la tracción de la membrana compuesta (pAMNFs) después del tratamiento de doble desprotonación puede aumentar varias veces, y el módulo de elasticidad también se mejora significativamente, lo que le otorga una ventaja competitiva más fuerte en aplicaciones de materiales de alta resistencia.
Incluye espectros de infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR) (con posiciones de picos característicos como flexión N-H, estiramiento C=O⋅⋅⋅H y estiramiento N-H etiquetados), espectros de energía de enlace del orbital C 1s obtenidos mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), curvas de función de distribución de distancia de enlaces de hidrógeno y curvas de duración del enlace de hidrógeno frente al tiempo, verificando los cambios en la estructura química y el fortalecimiento de la interacción del enlace de hidrógeno tras la doble desprotonación.
La Conductividad Térmica Se Reduce Considerablemente.
La presencia de la red tridimensional de enlaces de hidrógeno ejerce un efecto obvio de impedimento sobre la transferencia de calor, provocando una reducción significativa en la conductividad térmica de la membrana compuesta (pAMNFs). Los resultados de las pruebas muestran que la conductividad térmica de esta membrana puede reducirse hasta un nivel extremadamente bajo, demostrando un excelente desempeño como aislante térmico y mostrando un buen potencial de aplicación en el campo de los materiales aislantes térmicos.
Optimización de la Microestructura
Las imágenes captadas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) muestran que tras el tratamiento de doble desprotonación, las fibras nanofibras de aramida (ANFs) en la membrana están más regularmente dispuestas y la unión entre las fibras es más estrecha, formando una microestructura uniforme y densa. Esta optimización estructural es una de las razones importantes para la mejora en la resistencia mecánica de la película y la reducción de su conductividad térmica.
Presenta curvas de módulo de almacenamiento/módulo de pérdida en función de la temperatura, gráficos comparativos de conductividad térmica (la conductividad térmica de pAMNFs-30 es tan baja como 0.0626 W·m⁻¹·K⁻¹), curvas de análisis termogravimétrico (TG), gráficos comparativos de resistencia específica frente a tenacidad de diferentes materiales y comparaciones de cambios de rendimiento entre pAMNFs-30 y pANFs durante diferentes períodos de tiempo, demostrando integralmente las ventajas mecánicas y térmicas de la película delgada.
La estrategia de "doble desprotonación" propuesta en este estudio construye con éxito una red de enlaces de hidrógeno tridimensional en membranas de nanofibras de aramida (ANF). Esto no solo mejora eficazmente la resistencia mecánica de las membranas, sino que también reduce significativamente su conductividad térmica. El método destaca por su operación sencilla y efectos notables, proporcionando un nuevo enfoque para la optimización del desempeño de materiales de nanofibras de aramida. En el futuro, se espera que esta membrana compuesta de alto rendimiento (pAMNFs) tenga aplicaciones amplias en múltiples campos, como la aeronáutica y astronáutica, la disipación de calor en dispositivos electrónicos y los materiales compuestos de alto rendimiento, impulsando así el desarrollo tecnológico de las industrias relacionadas.
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