Aramidna nanovlakna (ANF) membrane imaju široku primjenu u mnogim područjima zbog svojih jedinstvenih svojstava. Međutim, kako dalje poboljšati njihovu mehaničku čvrstoću istovremeno smanjujući toplinsku vodljivost postalo je trenutna istraživačka fokalna točka i glavni izazov u ovom području. Tradicionalne metode imaju izražene ograničenja u izgradnji snažnih vodikovih veza mreža za poboljšanje performansi ANF membrana; stoga postoji hitna potreba za novim strategijama za optimizaciju strukture i performansi ANF membrana.
Prikazuje proces pripreme pAMNF-a (proces deprotonacije pANF-a → pANF/PMIA → pAMNF), prikazuje usporedbu između dvodimenzionalne planarne strukture vodikove veze pANF-a i trodimenzionalne strukture vodikove veze pAMNF-a, označava "nanovlakna 'džungla ram'" i povezuje ih s relevantnim dijagramom Mehaničke čvrstoće.
• Ključna strategija: Uvedite strategiju "dvostruke deprotonacije" za tretman aramidnih nanovlakana (ANF) radi izgradnje trodimenzionalne mreže vodikovih veza.
Spektroskopija Fourierove transformacije u infracrvenom području (FT-IR) i rendgenska fotoelektronska spektroskopija (XPS) koriste se za analizu površinske kemijske strukture vlakana i provjeru promjena polarne funkcionalne skupine.
Atomska silska mikroskopija (AFM) i skening elektronska mikroskopija (SEM) koriste se za promatranje mikrotopografije vlakana i membrana, kako bi se razumjela optimizacija strukture.
• Testovi performansi:
Stroj za univerzalno testiranje koristi se za ispitivanje mehaničkih performansnih indikatora membrana, poput vlačne čvrstoće i elastičnog modula. Mjerilo toplinske vodljivosti s laserskim mjerenjem koristi se za mjerenje toplinske vodljivosti membrana i procjenu njihovih toplinsko-izolacijskih performansi.
Uključuje slike senzora visine atomske sile (AFM) (s podacima visine označenim na različitim pozicijama: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm itd.), slike skening elektronskog mikroskopa (SEM) (usporedba mikro morfologije između pANF-a i pAMNF-30 na skali od 500 nm), krivulje raspodjele veličine pora u odnosu na relativni tlak te krivulje raspodjele volumena pora u odnosu na veličinu pora temeljene na Barrett-Joyner-Halendinoj (BJH) metodi, koje pokazuju razlike u mikrostrukturi tankih filmova prije i nakon obrade.
Usklađena vodikova mreža u tri dimenzije uspješno je konstruirana. Efekt dvostruke deprotonacije generirao je više polarnih grupa na površini aramidnih nanovlakana (ANF), stvarajući povoljne uvjete za formiranje trodimenzionalne vodikove mreže između vlakana. Rezultati testova infracrvene spektroskopije s Fourierovom transformacijom (FT-IR) i rendgenske fotoelektronske spektroskopije (XPS) pokazali su da broj polarnih funkcionalnih grupa na površini vlakana znatno raste nakon tretmana, pružajući više aktivnih mjesta za formiranje vodikovih veza i na kraju dovodeći do uspješne izgradnje stabilne trodimenzionalne mreže vodikovih veza.
Prikazuje više skupina tablica s podacima mehaničkih svojstava: krivulje vlačnog naprezanja-deformacije (uspoređujući pANF s pAMNF različitog sadržaja PMIA), graf ovisnosti sadržaja PMIA i svojstava u pAMNF, krivulje utjecaja temperature na čvrstoću/tvrdoću i shematski prikaz prijenosa opterećenja na interfacu između pANF i pAMNF-30, intuitivno pokrivajući efekt poboljšanja mehaničkih svojstava.
Mehanička svojstva su znatno poboljšana.
Zahvaljujući učinku jačanja trodimenzionalne mreže vodikove veze, mehanička svojstva membrane aramidnih nanovlakana (ANF) znatno su poboljšana. Eksperimentalni podaci pokazuju da se u usporedbi s membranom aramidnih nanovlakana koja nije tretirana, čvrstoća na vlačenje kompozitne membrane (pAMNFs) nakon tretmana dvostrukom deprotonacijom može povećati više puta, a elastični modul također je znatno poboljšan, što joj osigurava jaču konkurentsku prednost u primjenama materijala za visoku čvrstoću.
Uključuje Fourierovu transformaciju infracrvenih (FT-IR) spektara (s pozicijama karakterističnih vrhova poput N-H savijanja, C=O⋅⋅⋅H rastezanja i N-H rastezanja označenim), rendgensku fotoelektronsku spektroskopiju (XPS) C 1s orbitalne energije vezanja, krivulje funkcije distribucije udaljenosti vodikove veze i krivulje vodikove veze trajanja u odnosu na vrijeme, što potvrđuje promjene u kemijskoj strukturi i pojačanje interakcije vodikove veze nakon dvostruke deprotonacije.
Toplinska vodljivost znatno je smanjena.
Prisutnost trodimenzionalne mreže vodikovih veza izvrsno očigledan negativan učinak na prijenos topline, što rezultira značajnim smanjenjem toplinske vodljivosti kompozitne membrane (pAMNFs). Rezultati testova pokazuju da se toplinska vodljivost ove membrane može smanjiti na izuzetno nisku razinu, što pokazuje izvrstan učinak toplinske izolacije i izvrsan potencijal primjene u području materijala za toplinsku izolaciju.
Optimizacija mikrostrukture
Slike snimljene skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM) i mikroskopijom atomske sile (AFM) pokazuju da nakon tretmana dvostruke deprotonacije aramidne nanovlakna (ANF) u membrani su pravilnije raspoređena, a vez između vlakana čvršća, formirajući jednoličnu i gustu mikrostrukturu. Ova optimizacija strukture jedan je od važnih razloga za poboljšanje mehaničke čvrstoće filma i smanjenje njegove toplinske vodljivosti.
Prikazuje krivulje modula čuvanja/modula gubitka-temperatura, dijagram usporedbe toplinske vodljivosti (toplinska vodljivost pAMNFs-30 iznosi svega 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), termogravimetrijske (TG) krivulje, dijagram usporedbe specifične čvrstoće i žilavosti različitih materijala te usporedbu promjena učinkovitosti između pAMNFs-30 i pANF-a tijekom različitih vremenskih razdoblja, sveobuhvatno pokazujući mehaničke i toplinske prednosti tankog filma.
Strategija "dvostruke deprotonacije" predložena u ovom istraživanju uspješno stvara trodimenzionalnu vodikovu vezu mreže u aramidnim nanovlaknima (ANF) membranama. Ovo ne samo da učinkovito poboljšava mehaničku čvrstoću membrana, već također znatno smanjuje njihovu toplinsku vodljivost. Metoda se izdvaja jednostavnom izvedbom i izražajnim učincima, pružajući novi pristup optimizaciji svojstava aramidnih nanovlakanih materijala. U budućnosti se očekuje da će se ova kompozitna membrana visokih performansi (pAMNFs) široko primjenjivati u više različitih područja poput zrakoplovstva, hlađenja elektroničkih uređaja i kompozitnih materijala visokih performansi, time potičući tehnološki razvoj povezanih industrija.
EN
Vruće vijesti
