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Le membrane a base di nanofibre di aramide (ANF) presentano ampie prospettive di applicazione in numerosi settori grazie alle loro proprietà uniche. Tuttavia, come migliorare ulteriormente la loro resistenza meccanica riducendo al contempo la conducibilità termica rappresenta attualmente un focus della ricerca e una sfida significativa in questo ambito. I metodi tradizionali presentano limiti evidenti nella costruzione di reti di legami idrogeno forti per migliorare le prestazioni delle membrane ANF; pertanto, si rende necessaria una strategia innovativa per ottimizzare struttura e prestazioni delle membrane ANF.
Illustra il processo di preparazione dei pAMNF (il processo di deprotonazione dei pANF → pANF/PMIA → pAMNF), presenta il confronto tra la struttura a legami idrogeno bidimensionale dei pANF e la struttura a legami idrogeno tridimensionale dei pAMNF, etichetta il "Nanofibers 'jungle frame'", e lo associa al relativo diagramma relativo alla Resistenza Meccanica.
l Strategia Principale: Introdurre una strategia di "doppia deprotonazione" per trattare le nanofibre di aramide (ANF) al fine di costruire una rete di legami idrogeno tridimensionale.
La Spettroscopia Infrarossa a Trasformata di Fourier (FT-IR) e la Spettroscopia di Fotoelettroni X (XPS) vengono utilizzate per analizzare la struttura chimica superficiale delle fibre e verificare le variazioni dei gruppi funzionali polari.
La Microscopia a Forza Atomica (AFM) e la Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) vengono utilizzate per osservare la microtopografia delle fibre e delle membrane, al fine di comprendere l'ottimizzazione della struttura.
l Test di Prestazione:
Una macchina universale di prova viene utilizzata per testare gli indicatori delle prestazioni meccaniche delle membrane, come la resistenza alla trazione e il modulo di elasticità. Un misuratore della conducibilità termica a laser viene utilizzato per misurare la conducibilità termica delle membrane e valutare le loro prestazioni di isolamento termico.
Include immagini del sensore di altezza ottenute mediante Microscopia a Forza Atomica (AFM) (con dati di altezza etichettati in diverse posizioni: 6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm, ecc.), immagini ottenute mediante Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) (confronto delle microstrutture tra pANFs e pAMNFs-30 su scala di 500 nm), curve di distribuzione della dimensione dei pori in funzione della pressione relativa e curve di distribuzione del volume dei pori in funzione della dimensione dei pori basate sul metodo Barrett-Joyner-Halenda (BJH), che mostrano le differenze nella microstruttura dei film sottili prima e dopo il trattamento.
È stata costruita con successo una rete di legami idrogeno tridimensionale. L'effetto di doppia deprotonazione ha generato un maggior numero di gruppi polari sulla superficie delle nanofibre di aramide (ANFs), creando condizioni favorevoli per la formazione di una rete di legami idrogeno tridimensionale tra le fibre. I risultati dei test di Spettroscopia Infrarossa con Trasformata di Fourier (FT-IR) e Spettroscopia di Fotoelettroni X (XPS) hanno mostrato che il numero di gruppi funzionali polari sulla superficie delle fibre è aumentato significativamente dopo il trattamento, fornendo più siti attivi per la formazione di legami idrogeno e portando infine alla costruzione con successo di una rete di legami idrogeno tridimensionale stabile.
Presenta più set di grafici relativi alle proprietà meccaniche: curve di tensione-deformazione a trazione (confronto tra pANFs e pAMNFs con diversi contenuti di PMIA), un grafico che illustra la relazione tra il contenuto di PMIA e le proprietà nei pAMNFs, curve che mostrano l'effetto della temperatura su resistenza e tenacità, e uno schema del trasferimento del carico interfacciale tra pANFs e pAMNFs-30, dimostrando in modo intuitivo l'effetto di miglioramento delle proprietà meccaniche.
Le proprietà meccaniche sono significativamente migliorate.
Grazie all'effetto di sostegno della rete a legami idrogeno tridimensionali, le proprietà meccaniche della membrana in nanofibre di aramide (ANF) sono notevolmente migliorate. I dati sperimentali dimostrano che, rispetto alla membrana in nanofibre di aramide non trattata, la resistenza alla trazione della membrana composita (pAMNFs) dopo il trattamento di doppia deprotonazione può aumentare di diverse volte e il modulo di elasticità è anch'esso significativamente migliorato, conferendole un vantaggio competitivo maggiore in scenari applicativi di materiali ad alta resistenza.
Include spettri Fourier Transform Infrared (FT-IR) (con posizioni dei picchi caratteristici come N-H bending, C=O⋅⋅⋅H stretching e N-H stretching etichettati), spettri di energia di legame dell'orbitale C 1s della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), curve della funzione di distribuzione delle distanze dei legami idrogeno e curve della durata dei legami idrogeno rispetto al tempo, che verificano i cambiamenti nella struttura chimica e il potenziamento dell'interazione a legame idrogeno dopo la doppia deprotonazione.
La conducibilità termica è significativamente ridotta.
La presenza della rete tridimensionale di legami idrogeno esercita un evidente effetto di ostacolo al trasferimento di calore, causando una significativa riduzione della conducibilità termica della membrana composita (pAMNFs). I risultati dei test mostrano che la conducibilità termica di questa membrana può essere ridotta a un livello estremamente basso, dimostrando eccellenti prestazioni di isolamento termico e mostrando un buon potenziale applicativo nel campo dei materiali isolanti termici.
Ottimizzazione della Microstruttura
Le immagini catturate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia a forza atomica (AFM) mostrano che, dopo il trattamento di doppia deprotonazione, le fibre nanometriche di aramide (ANFs) presenti nella membrana sono disposte in modo più regolare e il legame tra le fibre è più stretto, formando una microstruttura uniforme e densa. Questa ottimizzazione strutturale rappresenta una delle principali ragioni dell'aumento della resistenza meccanica del film e della riduzione della sua conducibilità termica.
Presenta curve del modulo di immagazzinamento/modulo di perdita in funzione della temperatura, grafici comparativi della conducibilità termica (la conducibilità termica di pAMNFs-30 è pari a 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), curve di analisi termogravimetrica (TG), grafici comparativi di resistenza specifica versus tenacità di diversi materiali e confronti sulle variazioni di prestazione tra pAMNFs-30 e pANFs nel corso di diversi periodi di tempo, dimostrando in modo completo i vantaggi meccanici e termici del film sottile.
La strategia di "doppia deprotonazione" proposta in questo studio costruisce con successo una rete di legami idrogeno tridimensionale nelle membrane di nanofibre di aramide (ANF). Questo non solo migliora efficacemente la resistenza meccanica delle membrane, ma riduce significativamente la loro conducibilità termica. Il metodo si distingue per operatività semplice e risultati notevoli, offrendo un nuovo approccio per l'ottimizzazione delle prestazioni dei materiali a base di nanofibre di aramide. In futuro, questa membrana composita ad alte prestazioni (pAMNFs) potrà essere ampiamente utilizzata in diversi settori, come l'aerospaziale, il raffreddamento dei dispositivi elettronici e i materiali compositi ad alte prestazioni, favorendo così lo sviluppo tecnologico dei settori correlati.
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