ANF 芳纶纳米纤维
对位芳纶纤维(PPTA)作为一种高性能纤维, 具有高弹性、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异特性,纳米化后不仅能保留原有的优点,还会获得 NPFs的部分优势,并且活性基团的增多也会解决 PPTA 难以与其他材料复合的问题。将芳纶纳米纤维(ANF)作为纳米增强材料添加进聚合物中,从而改善聚合物的机械性能、热性能、光性能成为研究热点(图1)。
图1 ANF在聚合物复合领域的应用Figure1 ApplicationofANFinthefieldofpolyme
ANF的制备方法
目前主要通过两种方法制备 ANF:使用商品 PPTA 纤维制备 ANF的自上而下法,使用单体聚合自组装的方式制备 ANF的自下而上法。
自上而下法有：静电纺丝法、机械劈裂法、去质子化法。
静电纺丝是一种常用的制备 NPFs的方法, 它简单灵活、成本低廉,其原理是将聚合物溶液或 熔体作为纺丝液在高压电场中喷射,在电场作用下,喷射出的液滴固化形成NPFs [2]。虽然 静电纺丝能够较为简便地制备 ANF,但是也存在纺丝参数苛刻,得到的 ANF 直径分布较宽、难以控制等缺点,而且由于使用浓硫酸与高压电场,所以制备过程较为危险,对设备也具有一定腐蚀性。
图2 ANF 静 电 纺 丝 装 置 示 意 图(Copyright2015Wiley版权许可)Figure2 SchematicdiagramoftheANFelectrospinningdevice (Reprinted with permission from Ref.;Copyright2015 Wiley)
机械劈裂法是指在机械力的作用下使宏观 PPTA 纤维不断微纤化直至形成 ANF 的方法。械劈裂法具有操作简单、制备省时的特点,但是制备出的 ANF尺寸不均一,限制了其大规模应用。
去质子化法就是将宏观 PPTA 纤维脱去酰胺键上的质子,从而形成 ANF 的方法。ANF具有设备简单、尺寸均匀等优势,是实验室研究中最为常用的方法。
而宏观 PPTA 纤维是由单体缩聚后纺丝得来, 自下而上法制备 ANF同样以单体为原料聚合,但是在聚合过程中需要加入分散剂或机械辅助分散。
ANF改性聚合物
ANF改性聚合物分为改性树脂和塑料、改性橡胶、改性纤维和改性功能高分子四方面。
ANF具有高强度、高模量、高表面活性基团、良好化学稳定性、高热稳定性的特点,与聚合物之间可以形成强的界面作用,既可以增强聚合物本身,又能改善聚合物的界面性能,是一种理想的聚合物增强材料,目前已经应用于聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等多种树脂和塑料材料的复合改性中。
图5 ANF的过滤分散过程(a)与不同形状的 ANF水凝胶(b)(Copyright2021Wiley版权许可)Figure5 FiltrationanddispersionprocessofANF(a)withdifferentshapesofANFhydrogels(b)(Reprintedwithpermissionfrom Ref.;Copyright2021 Wiley)
填料是改善橡胶强度、增强橡胶加工性能的一种配合剂,一般认为,填料的长径比越大,分散 性越强,填充效果越好。由于ANF具有极高的长径比,因此对橡胶基体的增强作用非常显著。采用「自下而上」的方法在橡胶溶液中制备 ANF时,可能很难避免 ANF 的凝胶化;采用「自上而下」方法制备的 ANF 在加入橡胶基体之前, 一般都需要加以改性,以屏蔽表面的负电荷。
涂覆是 ANF改性纤维材料最常用的方法,利用 ANF 与 PPTA 纤维的相容性,使 ANF 与 PPTA 纤维复合,形成的复合材料在力学性能和介电性能方面有所提高。
功能高分子在物理功能、化学功能等方面具有 特殊性能,但在机械强度、热性能等方面较为普通, 添加 ANF可以显著改善上述性能。
ANF前景发展
ANF 的应用方向也较为多样,不仅能用于聚合物材料的增强,还可以利用其极佳的成膜性,与聚合物复合并以高强耐热膜的形式用于电池电极、生物医学、分离过滤领域。
未来对 ANF聚合物复合材料的研究将集中在以下几点:
(1)ANF制备机理研究。
(2)制备方法的改进。
(3)ANF改性聚合物的机理。
来源：高分子物理学
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