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Les membranes de nanofibres d'aramide (ANF) présentent des perspectives d'applications étendues dans de nombreux domaines en raison de leurs propriétés uniques. Cependant, comment améliorer davantage leur résistance mécanique tout en réduisant leur conductivité thermique constitue actuellement un axe de recherche important et un défi majeur dans ce domaine. Les méthodes traditionnelles présentent des limites évidentes quant à la construction de réseaux de liaisons hydrogène solides permettant d'améliorer les performances des membranes ANF ; il existe donc un besoin urgent de nouvelles stratégies pour optimiser la structure et les performances des membranes ANF.
Il démontre le processus de préparation des pAMNFs (le processus de déprotonation des pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), présente une comparaison entre la structure des liaisons hydrogène bidimensionnelle des pANFs et la structure des liaisons hydrogène tridimensionnelle des pAMNFs, étiquette le "cadre 'jungle' des nanofibres", et l'associe au schéma pertinent concernant la Résistance Mécanique.
l Stratégie Principale : Introduire une stratégie de "double déprotonation" pour traiter les nanofibres d'aramide (ANFs) afin de construire un réseau de liaisons hydrogène tridimensionnel.
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) sont utilisées pour analyser la structure chimique de surface des fibres et vérifier les modifications des groupes fonctionnels polaires.
La microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (SEM) sont employées pour observer la microtopographie des fibres et des membranes, afin de comprendre l'optimisation de la structure.
l Tests de Performance :
Une machine d'essai universelle est utilisée pour tester les indicateurs de performance mécanique des membranes, tels que la résistance à la traction et le module d'élasticité. Un appareil de mesure de conductivité thermique laser est utilisé pour mesurer la conductivité thermique des membranes et évaluer leurs performances d'isolation thermique.
Il comprend des images du capteur de hauteur en microscopie à force atomique (AFM), avec les données de hauteur indiquées à différentes positions (6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm, etc.), des images de microscopie électronique à balayage (MEB) (comparaison des micro-morphologies entre pANFs et pAMNFs-30 à l'échelle de 500 nm), des courbes de distribution de la taille des pores en fonction de la pression relative, ainsi que des courbes de distribution du volume des pores en fonction de la taille des pores basées sur la méthode Barrett-Joyner-Halenda (BJH), illustrant les différences de microstructure des films minces avant et après traitement.
Un réseau de liaisons hydrogène tridimensionnel a été construit avec succès. L'effet de double déprotonation a généré davantage de groupes polaires à la surface des nanofibres d'aramide (ANFs), créant des conditions favorables à la formation d'un réseau de liaisons hydrogène tridimensionnel entre les fibres. Les résultats des tests réalisés par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) ont montré que le nombre de groupes fonctionnels polaires à la surface des fibres augmentait considérablement après traitement, fournissant davantage de sites actifs pour la formation de liaisons hydrogène et permettant ainsi la construction réussie d'un réseau de liaisons hydrogène tridimensionnel stable.
Il présente plusieurs séries de graphiques sur les propriétés mécaniques : des courbes de contrainte-déformation en traction (comparant les pANFs avec les pAMNFs de différentes teneurs en PMIA), un graphique illustrant la relation entre la teneur en PMIA et les propriétés des pAMNFs, des courbes montrant l'effet de la température sur la résistance/ténacité, ainsi qu'un schéma du transfert de charge à l'interface entre les pANFs et les pAMNFs-30, démontrant de façon intuitive l'effet d'amélioration des propriétés mécaniques.
Les Propriétés Mécaniques Sont Nettement Améliorées.
Bénéficiant de l'effet portant du réseau de liaisons hydrogène tridimensionnel, les propriétés mécaniques de la membrane en nanofibres d'aramide (ANF) ont été considérablement améliorées. Les données expérimentales montrent que, par rapport à la membrane non traitée en nanofibres d'aramide, la résistance à la traction de la membrane composite (pAMNFs) après un double traitement de déprotonation peut être multipliée par plusieurs fois, et le module d'élasticité est également nettement amélioré, lui conférant ainsi un avantage concurrentiel accru dans les applications exigeant des matériaux à haute résistance.
Il comprend des spectres infrarouges par transformée de Fourier (FT-IR) (avec les positions des pics caractéristiques tels que la flexion N-H, l'étirement C=O⋅⋅⋅H, et l'étirement N-H étiquetés), des spectres d'énergie de liaison orbitale C 1s par spectroscopie photoélectronique X (XPS), des courbes de fonction de distribution des distances des liaisons hydrogène, ainsi que des courbes de durée de vie des liaisons hydrogène en fonction du temps, confirmant les modifications de la structure chimique et l'augmentation de l'interaction des liaisons hydrogène après une double déprotonation.
La conductivité thermique est nettement réduite.
La présence d'un réseau tridimensionnel de liaisons hydrogène exerce un effet freinateur évident sur le transfert thermique, entraînant une réduction significative de la conductivité thermique de la membrane composite (pAMNFs). Les résultats des tests montrent que la conductivité thermique de cette membrane peut être réduite à un niveau extrêmement bas, démontrant ainsi des performances d'isolation thermique excellentes et présentant un bon potentiel d'application dans le domaine des matériaux isolants thermiques.
Optimisation de la microstructure
Les images capturées par microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie à force atomique (MFA) montrent que, après un traitement de double déprotonation, les nanofibres d'aramide (ANF) présentes dans la membrane s'organisent de manière plus régulière et que la liaison entre les fibres devient plus étroite, formant ainsi une microstructure uniforme et dense. Cette optimisation structurale constitue l'une des raisons importantes de l'amélioration de la résistance mécanique du film et de la réduction de sa conductivité thermique.
Il présente des courbes du module de stockage/module de perte en fonction de la température, des diagrammes comparatifs de conductivité thermique (la conductivité thermique des pAMNFs-30 est aussi faible que 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), des courbes d'analyse thermogravimétrique (TG), des diagrammes comparatifs de résistance spécifique par rapport à la ténacité de différents matériaux, ainsi que des comparaisons des évolutions de performance entre les pAMNFs-30 et les pANFs sur différentes périodes, démontrant ainsi de manière complète les avantages mécaniques et thermiques du film mince.
La stratégie de « déprotonation double » proposée dans cette étude construit avec succès un réseau de liaisons hydrogène tridimensionnel dans les membranes de nanofibres d'aramide (ANF). Cela améliore non seulement efficacement la résistance mécanique des membranes, mais réduit également considérablement leur conductivité thermique. La méthode se caractérise par une opération simple et des effets remarquables, offrant ainsi une nouvelle approche pour l'optimisation des performances des matériaux en nanofibres d'aramide. À l'avenir, cette membrane composite haute performance (pAMNFs) devrait trouver des applications larges et variées dans de nombreux domaines tels que l'aérospatiale, l'évacuation de la chaleur dans les appareils électroniques et les matériaux composites haute performance, stimulant ainsi le développement technologique des industries concernées.
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