ANF 芳綸納米纖維
對位芳綸纖維(PPTA)作為一種高效能纖維, 具有高彈性、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優異特性,納米化後不僅能保留原有的優點,還會獲得 NPFs的部份優勢,並且活性基團的增多也會解決 PPTA 難以與其他材料復合的問題。將芳綸納米纖維(ANF)作為納米增強材料添加進聚合物中,從而改善聚合物的機械效能、熱效能、光效能成為研究熱點(圖1)。
圖1 ANF在聚合物復合領域的套用Figure1 ApplicationofANFinthefieldofpolyme
ANF的制備方法
目前主要透過兩種方法制備 ANF:使用商品 PPTA 纖維制備 ANF的自上而下法,使用單體聚合自組裝的方式制備 ANF的自下而上法。
自上而下法有：靜電紡絲法、機械劈裂法、去質子化法。
靜電紡絲是一種常用的制備 NPFs的方法, 它簡單靈活、成本低廉,其原理是將聚合物溶液或 熔體作為紡絲液在高壓電場中噴射,在電場作用下,噴射出的液滴固化形成NPFs [2]。雖然 靜電紡絲能夠較為簡便地制備 ANF,但是也存在紡絲參數苛刻,得到的 ANF 直徑分布較寬、難以控制等缺點,而且由於使用濃硫酸與高壓電場,所以制備過程較為危險,對器材也具有一定腐蝕性。
圖2 ANF 靜 電 紡 絲 裝 置 示 意 圖(Copyright2015Wiley版權特許)Figure2 SchematicdiagramoftheANFelectrospinningdevice (Reprinted with permission from Ref.;Copyright2015 Wiley)
機械劈裂法是指在機械力的作用下使宏觀 PPTA 纖維不斷微纖化直至形成 ANF 的方法。械劈裂法具有操作簡單、制備省時的特點,但是制備出的 ANF尺寸不均一,限制了其大規模套用。
去質子化法就是將宏觀 PPTA 纖維脫去醯胺鍵上的質子,從而形成 ANF 的方法。ANF具有器材簡單、尺寸均勻等優勢,是實驗室研究中最為常用的方法。
而宏觀 PPTA 纖維是由單體縮聚後紡絲得來, 自下而上法制備 ANF同樣以單體為原料聚合,但是在聚合過程中需要加入分散劑或機械輔助分散。
ANF改性聚合物
ANF改性聚合物分為改性樹脂和塑膠、改性橡膠、改性纖維和改性功能高分子四方面。
ANF具有高強度、高模量、高表面活性基團、良好化學穩定性、高熱穩定性的特點,與聚合物之間可以形成強的界面作用,既可以增強聚合物本身,又能改善聚合物的界面效能,是一種理想的聚合物增強材料,目前已經套用於聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、環氧樹脂等多種樹脂和塑膠材料的復合改性中。
圖5 ANF的過濾分散過程(a)與不同形狀的 ANF水凝膠(b)(Copyright2021Wiley版權特許)Figure5 FiltrationanddispersionprocessofANF(a)withdifferentshapesofANFhydrogels(b)(Reprintedwithpermissionfrom Ref.;Copyright2021 Wiley)
填料是改善橡膠強度、增強橡膠加工效能的一種配合劑,一般認為,填料的長徑比越大,分散 性越強,填充效果越好。由於ANF具有極高的長徑比,因此對橡膠基體的增強作用非常顯著。采用「自下而上」的方法在橡膠溶液中制備 ANF時,可能很難避免 ANF 的凝膠化;采用「自上而下」方法制備的 ANF 在加入橡膠基體之前, 一般都需要加以改性,以遮蔽表面的負電荷。
塗覆是 ANF改性纖維材料最常用的方法,利用 ANF 與 PPTA 纖維的相容性,使 ANF 與 PPTA 纖維復合,形成的復合材料在力學效能和介電效能方面有所提高。
功能高分子在物理功能、化學功能等方面具有 特殊效能,但在機械強度、熱效能等方面較為普通, 添加 ANF可以顯著改善上述效能。
ANF前景發展
ANF 的套用方向也較為多樣,不僅能用於聚合物材料的增強,還可以利用其極佳的成膜性,與聚合物復合並以高強耐熱膜的形式用於電池電極、生物醫學、分離過濾領域。
未來對 ANF聚合物復合材料的研究將集中在以下幾點:
(1)ANF制備機理研究。
(2)制備方法的改進。
(3)ANF改性聚合物的機理。
來源：高分子物理學
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