×
Membrany z nanowłókien aramidowych (ANF) mają szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach dzięki swoim unikalnym właściwościom. Jednak dalsze zwiększanie ich wytrzymałości mechanicznej w połączeniu z obniżeniem przewodności cieplnej stanowi obecny temat badań i duże wyzwanie w tej dziedzinie. Tradycyjne metody mają wyraźne ograniczenia w tworzeniu silnych sieci wiązań wodorowych, które poprawiają właściwości membran ANF; dlatego pilnie potrzebne są nowe strategie optymalizacji struktury i właściwości membran ANF.
Pokazuje proces przygotowania pAMNF (proces deprotonacji pANF → pANF/PMIA → pAMNF), przedstawia porównanie dwuwymiarowej płaskiej struktury wiązań wodorowych pANF i trójwymiarowej struktury wiązań wodorowych pAMNF, oznacza „nanodruty 'dżunglowa konstrukcja'" i kojarzy ją z odpowiednim diagramem Wytrzymałości Mechanicznej.
l Strategia Bazowa: Zastosowanie strategii "podwójnej deprotonacji" w celu modyfikacji nanodrutów aramidowych (ANF) do stworzenia trójwymiarowej sieci wiązań wodorowych.
Spektroskopię w Podczerwieni z Transformatą Fouriera (FT-IR) oraz Spektroskopię Fotoelektronów rentgenowskich (XPS) wykorzystuje się do analizy powierzchniowej struktury chemicznej włókien i weryfikacji zmian polarnych grup funkcyjnych.
Mikroskopię Siły Atomowej (AFM) i Mikroskopię Elektronową o Zwiększonej Trawersji (SEM) stosuje się do obserwacji mikrotopografii włókien i membran, w celu zrozumienia optymalizacji struktury.
l Testy Właściwości:
Maszyna do badań uniwersalnych służy do badania wskaźników wytrzymałości mechanicznej membran, takich jak wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości. Miernik przewodnictwa cieplnego laserowego służy do pomiaru przewodnictwa cieplnego membran oraz oceny ich właściwości izolacyjnych.
Zawiera obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM) z zaznaczonymi danymi wysokości w różnych miejscach (6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm itd.), obrazy z mikroskopu elektronowego skaningowego (SEM) (porównanie mikromorfologii pANF i pAMNF-30 w skali 500 nm), krzywe rozkładu wielkości porów w funkcji względnego ciśnienia oraz krzywe rozkładu objętości porów w funkcji wielkości porów uzyskane metodą Barrett-Joyner-Halenda (BJH), pokazujące różnice w mikrostrukturze cienkich warstw przed i po obróbce.
Pomyślnie skonstruowano trójwymiarową sieć wiązań wodorowych. Efekt podwójnej deprotonacji wygenerował więcej grup polarnych na powierzchni nanowłókien aramidowych (ANFs), tworząc korzystne warunki do powstawania trójwymiarowej sieci wiązań wodorowych pomiędzy włóknami. Wyniki badań przeprowadzonych za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformatą Fouriera (FT-IR) oraz spektroskopii fotoelektronowej rentgenowskiej (XPS) wykazały, że liczba polarnych grup funkcyjnych na powierzchni włókien wzrosła znacznie po obróbce, dostarczając więcej aktywnych miejsc umożliwiających tworzenie wiązań wodorowych i ostatecznie prowadząc do pomyślnego stworzenia stabilnej trójwymiarowej sieci wiązań wodorowych.
Zestawienie przedstawia wiele zestawów wykresów właściwości mechanicznych: krzywe naprężeniowo-odkształceniowe (porównujące pANF z pAMNF o różnej zawartości PMIA), wykres zależności zawartości PMIA i właściwości w pAMNF, krzywe oddziaływania temperatury na wytrzymałość/odpornośc udarową oraz schematyczny rysunek przenoszenia obciążenia na granicy między pANF i pAMNF-30, w sposób intuicyjny pokazując efekt wzmocnienia właściwości mechanicznych.
Właściwości mechaniczne są znacznie wzmocnione.
Dzięki wspierającemu działaniu trójwymiarowej sieci wiązań wodorowych, właściwości mechaniczne membrany z nanowłókien aramidowych (ANF) zostały znacznie poprawione. Dane doświadczalne pokazują, że w porównaniu z nieprzetworzoną membraną z nanowłókien aramidowych, wytrzymałość na rozciąganie membrany kompozytowej (pAMNFs) po podwójnym odtłuszczowaniu może wzrosnąć kilkukrotnie, a moduł sprężystości również jest znacznie zwiększony, co nadaje jej silniejszą pozycję konkurencyjną w zastosowaniach materiałowych wymagających wysokiej wytrzymałości.
Zawiera widma transformaty Fouriera podczerwieni (FT-IR) (z zaznaczonymi pozycjami charakterystycznych pików, takimi jak N-H zginanie, C=O⋅⋅⋅H rozciąganie i N-H rozciąganie), widma energii wiązania orbitalu C 1s spektroskopii fotoelektronowej rentgenowskiej (XPS), krzywe funkcji rozkładu odległości wiązań wodorowych oraz krzywe czasu życia wiązań wodorowych w funkcji czasu, potwierdzając zmiany struktury chemicznej oraz wzmocnienie oddziaływań wiązań wodorowych po podwójnej deprotonacji.
Przewodnictwo cieplne jest znacznie zmniejszone.
Obecność trójwymiarowej sieci wiązań wodorowych wywiera wyraźny wpływ hamujący na przenoszenie ciepła, prowadząc do znacznego obniżenia przewodnictwa cieplnego kompozytowej membrany (pAMNFs). Wyniki testów pokazują, że przewodnictwo cieplne tej membrany może zostać zredukowane do bardzo niskiego poziomu, co dowodzi jej doskonałych właściwości izolacyjnych oraz dużego potencjału zastosowania w dziedzinie materiałów izolacyjnych termicznie.
Optymalizacja mikrostruktury
Zdjęcia wykonane za pomocą mikroskopii elektronowej (SEM) i mikroskopii sił atomowych (AFM) pokazują, że po podwójnym usunięciu protonów aramidowe nanowłókna (ANFs) w membranie są ułożone bardziej regularnie, a wiązanie między włóknami jest ciaśniejsze, tworząc jednolitą i gęstą mikrostrukturę. Optymalizacja struktury jest jednym z ważnych powodów poprawy wytrzymałości mechanicznej folii i zmniejszenia jej przewodnictwa cieplnego.
Przedstawia krzywe modułu przechowywania/modułu strat w funkcji temperatury, wykresy porównawcze przewodności cieplnej (przewodność cieplna pAMNFs-30 wynosi zaledwie 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), krzywe analizy termograwimetrycznej (TG), wykresy porównawcze wytrzymałości właściwej i odporności na pękanie różnych materiałów oraz porównania zmian właściwości pAMNFs-30 i pANFs w różnych okresach czasu, kompleksowo pokazując zalet mechaniczne i termiczne cienkiej warstwy.
Zaproponowana w tej pracy strategia "podwójnej deprotonacji" skutecznie tworzy trójwymiarową sieć wiązań wodorowych w membranach z nanowłókien aramidowych (ANF). Nie tylko skutecznie poprawia wytrzymałość mechaniczną membran, ale również znacząco obniża ich przewodność cieplną. Metoda charakteryzuje się prostotą wykonania i wyraźnym skutkiem, dostarczając nowego podejścia do optymalizacji właściwości materiałów z nanowłókien aramidowych. W przyszłości nowoczesna membrana kompozytowa (pAMNFs) może znaleźć szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak lotnictwo i kosmonautyka, odprowadzanie ciepła w urządzeniach elektronicznych czy materiały kompozytowe o wysokiej wydajności, przyczyniając się do rozwoju technologicznego związanych gałęzi przemysłu.
Gorące wiadomości
EN
