โครงข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติที่มีการถอดโปรตอนสองจุดในฟิล์มเส้นใยนาโนอะรามิดเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลอย่างมากและลดการนำความร้อนต่ำสุด

1/ พื้นฐานของการวิจัย

แผ่นเมมเบรนนาโนไฟเบอร์อะรามิด (ANF) มีศักยภาพการใช้งานกว้างขวางในหลายสาขา เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลพร้อมทั้งลดการนำความร้อนของวัสดุชนิดนี้ ได้กลายเป็นจุดสนใจและท้าทายหลักของการวิจัยในปัจจุบัน วิธีการแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดอย่างชัดเจนในการสร้างโครงข่ายพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแรงเพื่อเพิ่มสมบัติของแผ่นเมมเบรน ANF ดังนั้น จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนในการพัฒนากลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงโครงสร้างและสมบัติของแผ่นเมมเบรน ANF

คำอธิบายภาพ: การเตรียมและการสังเกตโครงสร้างทางสัณฐานวิทยาของ pAMNFs

มันแสดงขั้นตอนการเตรียม pAMNFs (ขั้นตอนการกำจัดโปรตอนของ pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs) เปรียบเทียบโครงสร้างพันธะไฮโดรเจนแบบสองมิติของ pANFs กับโครงสร้างพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติของ pAMNFs มีการระบุชื่อ "กรอบใยนาโน 'ป่าแห่งใยนาโน'" และเชื่อมโยงกับแผนภาพที่เกี่ยวข้องกับความแข็งแรงเชิงกล

2/ วิธีการวิจัย

l กลยุทธ์หลัก: นำเสนอกลยุทธ์ "การกำจัดโปรตอนสองครั้ง" เพื่อใช้รักษาเส้นใยนาโนอะรามิด (ANFs) สำหรับการสร้างเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติ

วิธีการวิเคราะห์คุณลักษณะ:

ใช้สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบแปลงฟูรีเย (FT-IR) และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS) วิเคราะห์โครงสร้างทางเคมีบนพื้นผิวของเส้นใย และตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของหมู่ฟังก์ชันขั้ว

ใช้ไมโครสโกปีแรงอะตอม (AFM) และไมโครสโกปีอิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) สังเกตโครงสร้างผิวของเส้นใยและแผ่นใย เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับการปรับปรุงโครงสร้าง

l การทดสอบสมบัติ:

เครื่องทดสอบอเนกประสงค์ใช้สำหรับทดสอบค่าประสิทธิภาพทางกลของเยื่อ เช่น ความแข็งแรงแรงดึง และมอดุลัสความยืดหยุ่น เครื่องวัดการนำความร้อนแบบเลเซอร์ใช้สำหรับวัดการนำความร้อนของเยื่อและประเมินสมรรถนะการกันความร้อน

คำอธิบายภาพ: การวิเคราะห์โครงสร้างระดับจุลภาค

ประกอบด้วยภาพเซนเซอร์ความสูงจากกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมิก (AFM) (พร้อมข้อมูลความสูงที่ตำแหน่งต่างๆ ที่ระบุ: 6.2 นาโนเมตร, 14.8 นาโนเมตร, 47.9 นาโนเมตร ฯลฯ) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) (เปรียบเทียบโครงสร้างระดับจุลภาคระหว่าง pANFs และ pAMNFs-30 ที่สเกล 500 นาโนเมตร) กราฟการแจกแจงขนาดรูพรุนตามความดันสัมพัทธ์ และกราฟการแจกแจงปริมาตรรูพรุนตามขนาดรูพรุนโดยวิธี Barrett-Joyner-Halenda (BJH) ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างในโครงสร้างระดับจุลภาคของฟิล์มบางก่อนและหลังการบำบัด

3/ ผลการวิจัย

สามารถสร้างเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติได้อย่างสำเร็จ ผลของการดีโปรตอนเนชันแบบคู่ทำให้เกิดหมู่ขั้วไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้นบนพื้นผิวของเส้นใยนาโนอารามิด (ANFs) ซึ่งเป็นสภาพที่เอื้อต่อการก่อตัวของเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติระหว่างเส้นใย ผลการทดสอบจากเทคนิคสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบแปลงฟูรีเย (FT-IR) และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS) แสดงให้เห็นว่าจำนวนของหมู่ฟังก์ชันขั้วไฟฟ้าบนพื้นผิวเส้นใยเพิ่มขึ้นอย่างมากหลังการบำบัด ให้ตำแหน่งที่ใช้งานได้มากขึ้นสำหรับการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน และในที่สุดจึงสามารถสร้างเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติที่มีความเสถียรได้สำเร็จ

คำอธิบายภาพ: คุณสมบัติทางกลของแผ่นฟิล์ม pAMNFs

มันแสดงแผนภูมิข้อมูลคุณสมบัติเชิงกลหลายชุด: กราฟเส้นแรงดึง-ความเครียด (เปรียบเทียบ pANFs กับ pAMNFs ที่มีปริมาณ PMIA ต่างกัน), กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณ PMIA กับคุณสมบัติใน pAMNFs, เส้นโค้งแสดงผลของอุณหภูมิต่อความแข็งแรง/ความเหนียว และแผนภาพแบบผังของแรงถ่ายโอนที่อินเตอร์เฟสระหว่าง pANFs กับ pAMNFs-30 ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติเชิงกล

คุณสมบัติเชิงกลได้รับการพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญ

ด้วยผลลัพธ์จากการสนับสนุนของโครงข่ายพันธะไฮโดรเจนสามมิติ คุณสมบัติเชิงกลของเยื่อใยนาโนอารามิด (ANF) ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ข้อมูลจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า เมื่อเทียบกับเยื่อใยนาโนอารามิดที่ไม่ได้ผ่านการบำบัด ความแข็งแรงในการดึงของเยื่อคอมโพสิต (pAMNFs) หลังจากผ่านการบำบัดด้วยกระบวนการดีโปรตอนสองครั้งสามารถเพิ่มขึ้นได้หลายเท่า และมอดุลัสความยืดหยุ่นก็เพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนเช่นเดียวกัน ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันในด้านการใช้งานวัสดุที่ต้องการความแข็งแรงสูง

รูปภาพ คำบรรยายภาพ: การวิเคราะห์โครงสร้างทางเคมี

ประกอบด้วยสเปกตรัมอินฟราเรดแบบโฟริเอร์ทรานสเฟิร์ม (FT-IR) (พร้อมตำแหน่งของยอดสัญญาณลักษณะเฉพาะ เช่น N-H การงอ, C=O⋅⋅⋅H การยืดออก และ N-H การยืดออกที่ถูกติดฉลากไว้), สเปกตรัมพลังงานผูกพันของวงโคจร C 1s จากการถ่ายภาพสเปกโทรสโกปีด้วยรังสีเอกซ์ (XPS), กราฟแสดงการกระจายตัวของระยะห่างพันธะไฮโดรเจน และกราฟแสดงอายุของพันธะไฮโดรเจนเทียบกับเวลา ซึ่งยืนยันการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างทางเคมีและการเสริมความเข้มแข็งของการมีปฏิสัมพันธ์ของพันธะไฮโดรเจนหลังจากการสูญเสียโปรตอนสองครั้ง

การนำความร้อนลดลงอย่างมาก

การมีอยู่ของเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบสามมิติ มีผลในการขัดขวางการถ่ายเทความร้อนอย่างเห็นได้ชัด ทำให้การนำความร้อนของเยื่อเมมเบรนคอมโพสิต (pAMNFs) ลดลงอย่างมาก ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า การนำความร้อนของเมมเบรนนี้สามารถลดลงได้ในระดับต่ำมาก แสดงถึงสมบัติในการกันความร้อนที่ยอดเยี่ยม และแสดงศักยภาพการใช้งานที่ดีในด้านวัสดุทนความร้อน

การปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค

ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) แสดงให้เห็นว่าหลังจากการรักษาด้วยการดีโปรตอนสองครั้ง ไฟเบอร์นาโนอะราไมด์ (ANFs) ในเยื่อจัดเรียงตัวเป็นระเบียบมากขึ้น และการยึดเกาะระหว่างเส้นใยแน่นขึ้น ทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอและหนาแน่น โครงสร้างที่เหมาะสมขึ้นนี้เป็นหนึ่งในเหตุผลสำคัญที่ทำให้ความแข็งแรงเชิงกลของฟิล์มเพิ่มขึ้น และการนำความร้อนลดลง

ฉัน คำบรรยายภาพ: การวิเคราะห์อย่างละเอียดในด้านคุณสมบัติเชิงกลและคุณสมบัติความร้อน

มันแสดงให้เห็นถึงเส้นโค้งมอดุลัสการเก็บรักษา/มอดุลัสการสูญเสีย-อุณหภูมิ แผนภูมิเปรียบเทียบการนำความร้อน (การนำความร้อนของ pAMNFs-30 ต่ำถึง 0.0626 W·m⁻¹·K⁻¹) เส้นโค้งการวิเคราะห์ความร้อน (TG) แผนภูมิเปรียบเทียบความแข็งแรงเฉพาะกับความเหนียวของวัสดุต่างๆ และแผนภูมิเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงด้านสมรรถนะระหว่าง pAMNFs-30 และ pANFs ในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อดีด้านกลไกและด้านความร้อนของฟิล์มบางได้อย่างครอบคลุม

4/ ข้อสรุปการวิจัย

ยุทธศาสตร์ "การดีโปรโทเนชันสองขั้นตอน" ที่เสนอในงานวิจัยนี้สามารถสร้างเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนสามมิติในเยื่อแผ่นเส้นใยนาโนอารามิด (ANF) ได้อย่างสำเร็จ ซึ่งไม่เพียงแต่เพิ่มความแข็งแรงเชิงกลของเยื่อแผ่นได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังลดการนำความร้อนลงอย่างมาก อีกทั้งวิธีการนี้มีขั้นตอนการดำเนินการที่เรียบง่ายและให้ผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ ช่วยเปิดแนวทางใหม่ในการปรับปรุงสมบัติของวัสดุเส้นใยนาโนอารามิด ในอนาคต เยื่อแผ่นคอมโพสิตประสิทธิภาพสูงนี้ (pAMNFs) คาดว่าจะถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในหลายสาขา เช่น อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และวัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูง ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง