来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202509681

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背景介绍

当前主流的防护设备集成了堆叠的功能材料以应对各种危险。虽然多层结构有效地解决了多种威胁，但使用单一的多功能材料开发保护设备可以减轻重量并简化制造，使其更适合未来的智能，薄而灵活的保护系统。在单一薄材料中实现隔热和机械增强之间的平衡仍然是一个艰巨的挑战。对位芳纶以其有序的分子链和牢固的氢键而闻名，具有出色的机械强度和化学稳定性。对位芳纶以其有序的分子链和牢固的氢键而闻名，具有出色的机械强度和化学稳定性，然而，诸如相分离和传输故障的挑战仍然存在，主要是由于分子链构型和氢键网络的不匹配。克服这些界面挑战对于创造下一代芳族聚酰胺基防护材料至关重要。

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成果掠影

近日，北京航空航天大学化学学院刘明杰、鹿现永团队提出了一种双去质子化策略来制备具有低热导率的坚固的层状芳族聚酰胺纳米复合膜。纯有机复合膜具有202.5 MPa的拉伸强度、24.1 MJ/m³的韧性和0.0824 W/mK的热导率，以及优异的热稳定性值得注意的是，这些薄膜在较宽的温度范围（− 30至150 ° C）内保持了95%以上的机械强度，超过了固有的芳纶纤维薄膜，后者在类似条件下仅保持了68%的机械强度。这种优异的性能源于强大的界面3D氢键网络，能够在纳米纤维和表面聚合物之间实现高效的载荷传递和热调节。这些发现为下一代轻质材料提供了设计策略，这些材料将稳健的机械性能和隔热或其他性能统一起来，从而扩大了其在特定环境中的适用性。研究成果以“Dual Deprotonation-Enabled 3D Hydrogen-BondingNetworks in Aramid Nanofiber Films Toward Extraordinary Mechanical Strength and Ultralow Thermal Conductivity”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1. pAMNFs（芳纶微纳米纤维膜）的制备与形貌表征。a) 制备均匀复合纳米纤维的策略示意图。b) pAMNFs膜的实物照片与SEM（扫描电子显微镜）图像。c) 展示纳米纤维肌腱鞘结构的SEM图像。d) 具有不同氢键网络的芳纶材料在隔热性能和机械性能方面的对比。

图 2.a) pANFs（芳纶纳米纤维）的扫描电镜（SEM）图像。b) pAMNFs（芳纶微纳米纤维膜）的扫描电镜（SEM）图像。c) pANFs/PMIA（芳纶纳米纤维/聚间苯二甲酰间苯二胺）气凝胶的扫描电镜（SEM）图像。d) pANFs（芳纶纳米纤维）分散液的原子力显微镜（AFM）图像。e) pAMNFs（芳纶微纳米纤维膜）分散液的原子力显微镜（AFM）图像。f) pANFs/PMIA（芳纶纳米纤维/聚间苯二甲酰间苯二胺）分散液的原子力显微镜（AFM）图像。g) pANFs（芳纶纳米纤维）膜的表面及局部放大扫描电镜（SEM）图像（插图为基于SEM测量的孔径分布图）。h) pAMNFs-30（芳纶微纳米纤维膜-30）膜的表面及局部放大扫描电镜（SEM）图像（插图为基于SEM测量的孔径分布图）。i) pANFs 和 pAMNFs-30 膜的氮气吸脱附曲线。j) 基于BET测试结果的pANFs 和 pAMNFs-30 膜的孔径分布图。

图 3. pAMNFs（芳纶微纳米纤维膜）的机械性能。a) 不同PMIA（聚间苯二甲酰间苯二胺）含量的pAMNFs膜的典型应力-应变曲线。b) 拉伸强度和断裂应变。c) 韧性。d) pANFs（芳纶纳米纤维）、pAMNFs-30（芳纶微纳米纤维膜-30）和PMIA膜在不同温度下的拉伸强度。e) pANFs和pAMNFs-30膜在不同温度下的强度和韧性保持率。f) 不同PMIA含量的pAMNFs的平均直径。g) pANFs膜横截面的扫描电镜（SEM）图像。h) pAMNFs-30膜横截面的扫描电镜（SEM）图像。i) 图示说明pANFs膜和pAMNFs-30膜中机械载荷传递机制的示意图。j) pANFs膜横截面的小角X射线散射（SAXS）图谱。k) pAMNFs-30膜横截面的小角X射线散射（SAXS）图谱。

图 4.a) pANFs（芳纶纳米纤维）、pAMNFs（芳纶微纳米纤维膜）和PMIA（聚间苯二甲酰间苯二胺）膜的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。b) pANFs 和 pAMNFs-30（芳纶微纳米纤维膜-30）膜的X射线光电子能谱（XPS）C 1s谱。c) PPTA（聚对苯二甲酰对苯二胺）体系中N-H基团中的H与C═O基团中的O之间的径向分布函数 g(r)。d) （PPTA体系中的）氢键数量。e) 在PPTA-PMIA体系中，使用NPT系综方法进行分子动力学模拟后的大分子状态。f) PPTA-PMIA体系中N─H基团中的H与C═O基团中的O之间的径向分布函数 g(r)。g) （PPTA-PMIA体系中的）氢键数量。h) 芳纶（对位）纳米纤维与PMIA之间形成的三维氢键网络示意图。

图 5.a) pANFs（芳纶纳米纤维）和 pAMNFs-30（芳纶微纳米纤维膜-30）膜在 0.5 Hz 频率下进行温度扫描的动态热机械分析（DMA）结果。b) pAMNFs-30 膜的热障模型示意图。c) pANFs、pAMNFs-30 和 PMIA（聚间苯二甲酰间苯二胺）膜的热导率。d) pANFs、pAMNFs-30 和 PMIA 膜的热重分析（TG）曲线。e) 实验中所有样品的性能雷达图。f) pAMNFs-30 膜与其他薄膜相比的热绝缘性能和比强度。g) 通过测量石蜡宇航员模型融化所需时间进行的 pAMNFs-30 膜和 pANFs 膜的热绝缘性能测试。h) pAMNFs 膜在火焰暴露环境下的机械性能。