Jaringan Ikatan Hidrogen 3D yang Diaktifkan oleh Deprotonasi Ganda pada Film Nanofiber Aramida Menuju Kekuatan Mekanik Luar Biasa dan Konduktivitas Termal Ultrarendah

1/ Latar Belakang Penelitian

Membran nanofiber aramid (ANF) memiliki prospek aplikasi yang luas di berbagai bidang karena sifat-sifat uniknya. Namun demikian, bagaimana cara meningkatkan kekuatan mekanik sekaligus menurunkan konduktivitas termal menjadi fokus penelitian dan tantangan utama di bidang ini. Metode-metode konvensional memiliki keterbatasan jelas dalam membangun jaringan ikatan hidrogen yang kuat untuk meningkatkan kinerja membran ANF; oleh karena itu, sangat diperlukan strategi-strategi baru untuk mengoptimalkan struktur dan kinerja membran ANF.

Keterangan Gambar: Persiapan dan Morfologi pAMNFs

Ini menunjukkan proses persiapan pAMNFs (proses deprotonasi pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), memperlihatkan perbandingan antara struktur ikatan hidrogen bidimensional dari pANFs dan struktur ikatan hidrogen tiga dimensi dari pAMNFs, memberi label "Nanofibers 'jungle frame'", serta mengaitkannya dengan diagram terkait mengenai Kekuatan Mekanik.

2/ Metode Penelitian

l Strategi Utama: Memperkenalkan strategi "double deprotonasi" untuk memperlakukan aramid nanofibers (ANFs) dalam membangun jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi.

Metode Karakterisasi:

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) dan X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) digunakan untuk menganalisis struktur kimia permukaan serat serta memverifikasi perubahan pada gugus fungsi polar.

Atomic Force Microscopy (AFM) dan Scanning Electron Microscopy (SEM) digunakan untuk mengamati mikrotopografi serat dan membran, sehingga memahami optimasi struktur.

l Uji Kinerja:

Mesin uji universal digunakan untuk menguji indikator kinerja mekanis membran, seperti kekuatan tarik dan modulus elastisitas. Alat pengukur konduktivitas termal berbasis laser digunakan untuk mengukur konduktivitas termal membran serta mengevaluasi kinerja isolasi termalnya.

Keterangan Gambar: Analisis Mikrostruktur

Meliputi gambar sensor ketinggian Mikroskop Gaya Atom (AFM) (dengan data ketinggian pada posisi berbeda yang diberi label: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm, dll.), gambar Mikroskop Elektron Skan (SEM) (perbandingan mikro-morfologi antara pANFs dan pAMNFs-30 pada skala 500 nm), kurva distribusi ukuran pori terhadap tekanan relatif, serta kurva distribusi ukuran pori terhadap volume pori berdasarkan metode Barrett-Joyner-Halenda (BJH), yang menunjukkan perbedaan mikrostruktur lapisan tipis sebelum dan sesudah perlakuan.

3/ Hasil Penelitian

Sebuah jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi berhasil dikonstruksi. Efek depresipitasi ganda menghasilkan lebih banyak kelompok polar pada permukaan serat nanofiber aramid (ANFs), menciptakan kondisi yang menguntungkan bagi terbentuknya jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi antar serat. Hasil uji Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FT-IR) dan Spektroskopi Fotoelektron Sinar-X (XPS) menunjukkan bahwa jumlah kelompok fungsi polar pada permukaan serat meningkat secara signifikan setelah perlakuan, menyediakan lebih banyak situs aktif untuk pembentukan ikatan hidrogen dan pada akhirnya berhasil membangun jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi yang stabil.

Keterangan Gambar: Sifat Mekanik Film pAMNFs

Ini menampilkan beberapa set grafik data sifat mekanik: kurva tegangan-regangan tarik (membandingkan pANF dengan pAMNF dengan kandungan PMIA berbeda), grafik hubungan antara kandungan PMIA dan sifat pada pAMNF, kurva pengaruh suhu terhadap kekuatan/ketangguhan, serta diagram skematis transfer beban antarmuka antara pANF dan pAMNF-30, secara intuitif menunjukkan efek peningkatan sifat mekanik.

Sifat Mekanik Mengalami Peningkatan yang Signifikan.

Berkat efek penguatan dari jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi, sifat mekanik membran serat nanofiber aramid (ANF) telah meningkat secara signifikan. Data eksperimental menunjukkan bahwa dibandingkan dengan membran serat nanofiber aramid yang tidak diperlakukan, kekuatan tarik membran komposit (pAMNFs) setelah perlakuan depurasi ganda dapat meningkat beberapa kali lipat, dan modulus elastisitasnya juga meningkat secara signifikan, memberinya keunggulan kompetitif yang lebih kuat dalam aplikasi material berkekuatan tinggi.

Imag keterangan Gambar: Analisis Struktur Kimia

Termasuk spektrum Fourier Transform Infrared (FT-IR) (dengan posisi puncak karakteristik seperti N-H bending, C=O⋅⋅⋅H stretching, dan N-H stretching yang diberi label), spektrum energi ikatan orbital C 1s X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), kurva fungsi distribusi jarak ikatan hidrogen, serta kurva waktu hidup ikatan hidrogen terhadap waktu, yang memverifikasi perubahan dalam struktur kimia dan peningkatan interaksi ikatan hidrogen setelah mengalami deporotonasi ganda.

Konduktivitas Termal Mengalami Penurunan yang Signifikan.

Keberadaan jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi memberikan pengaruh penghambatan yang jelas terhadap perpindahan panas, menyebabkan penurunan konduktivitas termal membran komposit (pAMNFs). Hasil pengujian menunjukkan bahwa konduktivitas termal membran ini dapat diturunkan hingga ke tingkat yang sangat rendah, menunjukkan kinerja isolasi termal yang sangat baik serta potensi aplikasi yang bagus dalam bidang material isolasi termal.

Optimasi Mikrostruktur

Gambar yang diambil melalui Mikroskopi Elektron Serap (SEM) dan Mikroskopi Gaya Atom (AFM) menunjukkan bahwa setelah perlakuan deprotonasi ganda, serat nano aramid (ANFs) dalam membran tersusun lebih teratur, dan ikatan antar serat menjadi lebih kuat, membentuk struktur mikro yang seragam dan padat. Optimalisasi struktur ini merupakan salah satu alasan penting peningkatan kekuatan mekanis film dan penurunan konduktivitas termalnya.

Saya keterangan Gambar: Analisis Komprehensif Sifat Mekanik dan Termal

Kurva modulus penyimpanan/modulus kehilangan-temperatur, grafik perbandingan konduktivitas termal (konduktivitas termal pAMNFs-30 sekecil 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), kurva analisis termogravimetri (TG), grafik perbandingan kekuatan spesifik terhadap ketangguhan berbagai material, serta perbandingan perubahan kinerja antara pAMNFs-30 dan pANFs dalam periode waktu yang berbeda disajikan secara komprehensif untuk menunjukkan keunggulan mekanik dan termal dari film tipis tersebut.

4/ Kesimpulan Penelitian

Strategi "double deprotonation" yang diusulkan dalam penelitian ini berhasil membangun jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi dalam membran serat nan aramid (ANF). Hal ini tidak hanya secara efektif meningkatkan kekuatan mekanik membran, tetapi juga secara signifikan menurunkan konduktivitas termalnya. Metode ini memiliki operasi yang sederhana serta efek yang luar biasa, memberikan pendekatan baru untuk optimasi kinerja material serat nan aramid. Di masa depan, membran komposit berperforma tinggi ini (pAMNFs) diperkirakan akan diterapkan secara luas di berbagai bidang seperti kedirgantaraan, pendinginan perangkat elektronik, dan material komposit berperforma tinggi, sehingga mendorong pengembangan teknologi di industri terkait.