二重脱プロトン化を可能にしたアラミドナノファイバー膜における3D水素結合ネットワークが卓越した機械的強度と超低熱伝導性を実現

1/ 研究背景

アラミドナノファイバー（ANF）膜はその特異な性質から、多くの分野で幅広い応用可能性を持っています。しかし、機械的強度をさらに高めながら熱伝導率を低下させる方法の開発は、現在の研究の重点およびこの分野における主要な課題となっています。従来の方法はANF膜の性能向上において強固な水素結合ネットワークを構築する上で明確な制限があり、そのためANF膜の構造および性能を最適化する新たな戦略が急務となっています。

図のキャプション：pAMNFsの作製と形態

PAMNFsの調製過程（pANFsの脱質子化過程→pANFs/PMIA→pAMNFs）を示し、pANFsの二次元平面水素結合構造とpAMNFsの三次元水素結合構造の比較を提示し、"ナノファイバー『ジャングルフレーム』"にラベルを付け、それに機械的強度に関する図と関連づけます。

2/ 研究方法

l コア戦略：アラミドナノファイバー（ANFs）を処理するための「二重脱質子化」戦略を導入し、三次元水素結合ネットワークを構築します。

評価方法：

フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）およびX線光電子分光法（XPS）を用いて、ファイバー表面の化学構造を分析し、極性官能基の変化を確認します。

原子間力顕微鏡（AFM）および走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して、ファイバーおよび膜の微細表面形状を観察し、構造最適化を理解します。

l 性能試験：

汎用試験機は、引張強度や弾性係数などの膜の機械的性能指標を試験するために使用されます。レーザー熱伝導率計は、膜の熱伝導率を測定し、その断熱性能を評価するために使用されます。

画像キャプション：微細構造分析

これには、原子間力顕微鏡（AFM）の高さセンサー画像（6.2 nm、14.8 nm、47.9 nmなど、異なる位置での高さデータを表示）、走査型電子顕微鏡（SEM）画像（500 nmスケールでのpANFsとpAMNFs-30の微細形状の比較）、相対圧力－細孔径分布曲線、およびBarrett-Joyner-Halenda（BJH）法に基づく細孔容積－細孔径分布曲線が含まれ、処理前後の薄膜の微細構造における違いを示しています。

3/ 研究結果

三次元水素結合ネットワークが成功裏に構築された。二重脱質子化効果により、アラミドナノファイバー（ANFs）表面により多くの極性官能基が生成され、繊維間の三次元水素結合ネットワーク形成に好都合な条件が整った。フーリエ変換赤外分光（FT-IR）およびX線光電子分光（XPS）の測定結果から、処理後繊維表面の極性官能基の数が顕著に増加し、水素結合形成のための活性部位がより多く提供され、最終的に安定な三次元水素結合ネットワークの構築が実現した。

画像キャプション: pAMNFsフィルムの機械的特性

複数の機械的特性データチャートを提示しています。具体的には、引張ひずみ-応力曲線（pANFと異なるPMIA含有量のpAMNFを比較）、pAMNFにおけるPMIA含有量と特性との関係を示すグラフ、温度が強度／靭性に与える影響の曲線、およびpANFとpAMNF-30の間の界面における荷重伝達の模式図を含み、機械的特性の向上効果を直感的に示しています。

機械的特性が大幅に向上しています。

三次元水素結合ネットワークの補強効果により、アラミドナノファイバー（ANF）膜の機械的特性は大幅に改善されました。実験データによると、処理されていないアラミドナノファイバー膜と比較して、二重脱質子化処理後の複合膜（pAMNFs）の引張強度は数倍に向上し、弾性率も顕著に高まり、高強度材料の応用分野においてより強い競争優位性を備えています。

Imag 図の説明：化学構造分析

これには、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）スペクトル（N-H曲げ、C=O⋅⋅⋅H伸縮、およびN-H伸縮のピーク位置がラベル付けされたもの）、X線光電子分光法（XPS）によるC 1s軌道結合エネルギースペクトル、水素結合距離分布関数曲線、および水素結合寿命 vs. 時間曲線が含まれており、二重脱質子化後の化学構造の変化および水素結合相互作用の増強を確認しています。

熱伝導率が大幅に低下しています。

三次元水素結合ネットワークの存在は、熱伝導を妨げる明確な効果を持ち、複合膜（pAMNFs）の熱伝導率を大幅に低下させます。テスト結果によれば、この膜の熱伝導率は極めて低いレベルまで低下し、優れた断熱性能を示しており、断熱材料分野での良好な応用可能性を示しています。

微細構造最適化

走査型電子顕微鏡（SEM）および原子間力顕微鏡（AFM）による画像から、二重脱質子処理後、膜に含まれるアラミドナノファイバー（ANFs）がより規則正しく配向し、ファイバー間の結合が強化され、均一で緻密な微細構造が形成されていることが確認できます。このような構造の最適化は、フィルムの機械的強度が向上し、熱伝導率が低下する重要な要因の一つです。

わかった 画像キャプション：機械的および熱的特性の包括的分析

貯蔵弾性率／損失弾性率-温度曲線、熱伝導率比較チャート（pAMNFs-30の熱伝導率は0.0626 W·m⁻¹·K⁻¹まで低下）、熱重量分析（TG）曲線、異なる材料の比強度対靭性比較チャート、およびpAMNFs-30とpANFsの時間経過に伴う性能変化比較を示しており、この薄膜の機械的および熱的利点を包括的に示しています。

4/ 研究結論

本研究で提案された「二重脱プロトン化」戦略は、アラミドナノファイバー（ANF）膜内に三次元水素結合ネットワークを効果的に構築することに成功しています。これにより、膜の機械的強度が効果的に向上するだけでなく、熱伝導率も大幅に低下させることができます。この方法は操作が簡便で効果が顕著であり、アラミドナノファイバー材料の性能最適化に新たなアプローチを提供します。今後、この高性能複合膜（pAMNFs）は、航空宇宙分野や電子機器の放熱、高機能複合材料など多方面での広範な応用が期待され、関連産業の技術発展を促進するものと考えられます。