《AM》清華庹新林/北化邱藤：聚合誘導(dǎo)對(duì)位芳綸納米纖維水凝膠構(gòu)建芳綸工程材料
【摘要】
聚對(duì)苯二甲酰胺（PPTA）的加工長(zhǎng)期以來一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。最近，清華大學(xué)庹新林副研究員/北京化工大學(xué)邱藤教授科研團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單的“單體-納米纖維-宏觀產(chǎn)物”（MNM）分層自組裝方法來構(gòu)建3D全PPTA 工程材料。該方法主要包括從單體制備聚合誘導(dǎo)芳綸納米纖維（PANFs）和從PANF水凝膠制備全PPTA材料。在 PANF水凝膠脫水和收縮后，可以獲得各種3D結(jié)構(gòu)，包括簡(jiǎn)單的固體塊和復(fù)雜的蜂窩(HC)。PANF塊體的拉伸強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度分別超過 62 和 90 MPa，可與典型的工程塑料相媲美。密度為 360 kg m-3的 PANF HC 的抗壓強(qiáng)度超過 24 MPa。
PANF塊體和PANF HC的熱穩(wěn)定性與Kevlar纖維一樣好，在氮?dú)夥罩?00°C之前幾乎不發(fā)生分解。此外，MNM工藝在溫和的條件下進(jìn)行，沒有高溫、高壓或腐蝕性溶劑。MNM工藝是一種加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高性能的全芳香族聚酰胺材料的新策略，將是繼PPTA液晶紡絲技術(shù)突破后的又一發(fā)展。相關(guān)論文以題為Construction of Aramid Engineering Materials via Polymerization-Induced para-Aramid Nanofiber Hydrogel發(fā)表在《Advanced Materials》上。
【主圖導(dǎo)讀】
示意圖1 全PPTA材料及典型產(chǎn)品制造工藝（MNM法）示意圖。a) PPTA 的聚合式。b) PPTA 分子。c) 分散體中制備的 PANF。d) 通過過濾從 PANF 分散體中獲得的 PANF 水凝膠。e) 立方 PANF 水凝膠。f) 以正六邊形尼龍柱為內(nèi)模的 PANF 水凝膠。g) (e) 中水凝膠干燥后的 PANF 本體。h) 在 (f) 中的水凝膠干燥后，具有規(guī)則正六邊形細(xì)胞的 PANF HC。i）蓮花形PANF散裝。j) 由加工過的 PANF 散裝料組裝而成的互鎖“孔明鎖”。k) 具有規(guī)則正六邊形細(xì)胞的 PANF HC。l) 具有不規(guī)則細(xì)胞的PANF HC。(i)–(l) 中的比例尺為 5 mm。
圖2 PANF、PANF水凝膠和PANF塊體的特征。a,b) PANF 在不同放大倍數(shù)下的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像；比例尺：（a）和（b）分別為 2 μm 和 200 nm。c）具有不同PANF濃度的PANF分散體/PANF水凝膠的宏觀狀態(tài)。d) 原始月餅形狀的PANF水凝膠和水凝膠干燥收縮后得到的致密化PANF塊體；比例尺：10 毫米。月餅上寫著“花開月圓。e) 吸水（20°C，24 小時(shí)）后PANF 本體的尺寸變化。f) PANF 塊體的典型后處理方法（拋光、切割和沖壓）；比例尺：4 毫米。g) 雕刻PANF散裝（掛飾）；比例尺：4 毫米。h）PANF塊體在不同放大倍數(shù)下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；比例尺：(h) 和插圖分別為 5 μm 和 100 nm。
圖3 密度為 1.40 g cm−3 的 PANF 塊體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析。a）PANF塊體的典型拉伸應(yīng)力-強(qiáng)度曲線。插圖是啞鈴形PANF散裝樣品；比例尺：5 毫米。b) PANF 塊體和五種工程塑料的拉伸強(qiáng)度比較。c）PANF塊體的典型壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖是壓縮前后的 PANF 塊；比例尺：2 毫米。d) PANF 本體與其他塑料或聚合物基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度比較。e）PANF本體與其他塑料或聚合物-基體復(fù)合材料在硬度和彈性模量方面的比較，以納米壓痕為特征。(b)、(d) 和(e)中的誤差線是通過對(duì)不同測(cè)試樣本的平均值獲得的。f) PANF 塊體和 Kevlar 29 的熱重分析 (TGA) 和微分熱重分析 (DTA) 曲線。g) 火焰下（約 1000 °C）PANF 塊體板（厚度 = 6.5 mm）的背面溫度。插圖為經(jīng)測(cè)試后的PANF散裝板的正反面；比例尺：20 毫米。h) PANF塊體、Kevlar 29和PANF絮體的XRD圖譜。插圖顯示了 PANF 塊體的衍射圖像。i) PANF 本體、Kevlar 29 和 PANF 絮狀物的 FTIR 光譜。
總結(jié)
多種全PPTA 3D材料，包括具有不同形態(tài)的PANF塊體和具有不同結(jié)構(gòu)的PANF HCs，可以通過創(chuàng)新的自下而上的MNM方法成功制備，該方法不涉及高溫、高壓或劇毒溶劑。PANF 本體的機(jī)械強(qiáng)度可與傳統(tǒng)工程塑料相媲美，PANF HC 的機(jī)械強(qiáng)度也非常出色。由純 PPTA 組成，PANF 本體和 PANF HC 顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。此外，無粘合劑和高密度的特性是芳綸HCs制備的顯著改進(jìn)。高性能PANF塊體或PANF HCs的成功制備，具有作為工程材料的潛力，是芳族聚酰胺加工更廣泛應(yīng)用的突破。這種簡(jiǎn)便且可擴(kuò)展的 MNM 方法以溫和的方式構(gòu)建了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能的宏觀材料，這是納米技術(shù)和分層自組裝的成功結(jié)合。
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