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清华大学张莹莹教授课题组《Mater. Horiz.》: 协同调控界面和拓扑性质制备超强韧芳纶纳纤膜

清华大学张莹莹教授课题组《Mater. Horiz.》: 协同调控界面和拓扑性质制备超强韧芳纶纳纤膜 高分子科技
2023-09-03
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导读:验证了协同增强策略的有效性,成功将芳纶纳纤膜的强度和韧性分别提高到本征的491.0 %和1094.5 %...
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具有极端力学性能的材料可以满足日益增长的工程需求,有希望将科幻小说中的太空电梯、太阳帆、戴森球等超级工程带入现实。然而像石墨烯(σ=130 GPa)、碳纳米管(σ>100 GPa)等纳米材料的优异力学性能仅能维持在纳米尺度,而难以长程有序地向宏观尺度延续,其原因主要是纳米材料间的微观应力传递太弱。在人类连续制备出千米尺度的石墨烯、碳纳米管之前,提高微观应力传递仍是提高宏观力学性能的主要方法。

近期,清华大学化学系张莹莹教授团队设计了界面增强和拓扑增强的协同策略来提高纳米材料间的应力传递(1)。该团队以芳纶纳米纤维、氧化石墨烯、聚乙烯醇三元复合体系为研究对象,验证了协同增强策略的有效性,成功将芳纶纳纤膜的强度和韧性分别提高到本征的491.0 %1094.5 %(2)。在界面增强策略方面,芳纶纳米纤维(ANFs)和氧化石墨烯(GO)之间的Brönsted酸碱反应使得二者之间产生特异亲和性(3),结合广泛存在的非共价相互作用以产生强烈的界面作用。量子化学计算证明了二者之间的强烈作用,体系能量随着质子从GOANFs转移而降低。为了提高界面作用的作用效率,作者引入体积更小的聚乙烯醇(PVA)胶束来减少结构缺陷以改变复合材料的拓扑性质。作为对比,作者引入了与PVA原子组成相同、羟基质量比相同的纤维素纳米晶制备复合膜来控制相似的界面作用,结果发现尺寸更大、硬度更高的纳米晶引入了更多结构缺陷,二者对比体现了合理拓扑增强的重要性(4)。最后,作者研究了复合膜在抗极端温度和疲劳方面的优异特性(5)

 1. 芳纶纳纤基复合膜的设计、制备与性能。(a) 溶液-凝胶-固体转化过程。(b) 增强机理。(c) 复合膜性能对比的雷达图。
 
2. 复合膜的超强韧机械性能。(a, b) 透明原始芳纶纳纤膜和复合膜(厚度均为5 μm)(c) 柔性展示(d) 拉伸失效后APG薄膜的类贝壳珍珠层状横截面SEM图像。(e) 断裂的顶视图SEM图像,其中纳米纤维被拉出并沿拉伸方向对齐。(f) 在主裂纹尖端产生的微裂纹。(g) 拉伸应力-应变曲线(h) 从应力-应变曲线统计的抗拉强度和韧性比较。
 
3. 芳纶纳纤氧化石墨烯片之间的界面相互作用。(a) 纳纤的AFM图像。(b) 纳纤/氧化石墨烯AFM图像显示了两种组分的亲和力(灰色虚线勾勒出复合材料和基板的边界)(c) 不同混合分散体的Zeta电位。(d) 复合材料在达到热力学平衡过程中的分子结构演变(e) 密度泛函理论计算的系统能量随质子位置而变化。
 
4. 对比试验验证拓扑增强机理。(a-c) 引入不同填隙组分对结构缺陷的影响图示(d)–(f) FIB-SEM表征对应(a-c)的截面(g) 不同填隙材料的力学对比(h, i)不同填隙材料的尺度和形貌对比
 
5. 复合膜综合性能(a) 复合膜强度和韧性的ashby(b) 复合膜100°C下处理不同时间的力学性能变化。(c) 在不同温度下处理8小时后的力学性能变化 (d) 180°折叠10000次后的抗疲劳性(插图:疲劳试验后折痕的SEM图像)

这项研究以“A Synergistic Interfacial and Topological Strategy for Reinforcing Aramid Nanofiber Film”为题发表在《Materials Horizons》上(DOI: 10.1039/D3MH00866E)。清华大学化学系2021级直博生金炯克为该论文的第一作者。合作者包括北京大学的牛佳莉研究员和北京化工大学的吴扬研究员。该研究得到了得到了国家自然科学基金、重点研发计划等经费支持。

原文链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00866e

张莹莹课题组:主要研究面向生命健康监测的纳米碳材料、丝蛋白材料及两者的功能复合材料,发展其在柔性电子器件、智能织物和特种纤维领域的应用。

课题组主页:www.yyzhanggroup.com


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