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  芳綸納米纖維（aramid nanofibers, ANFs）作為近年來開發(fā)的一種新型納米高分子材料，兼具對位芳綸纖維（PPTA）和高分子納米纖維的雙重優(yōu)勢，可解決芳綸纖維存在的表面光滑惰性強、復合界面強度弱等問題。同時，ANFs可與聚合物基體通過物理/化學/自組裝交聯(lián)作用高效復合，使其成為構建高性能復合材料極具潛力的“增強構筑單元“，在納米復合材料領域起著重要的界面增強作用。然而，利用宏觀PPTA纖維通過去質(zhì)子化法制備ANFs自2011年被報道以來，ANFs制備周期長（7天）、反應濃度低（0.2%）、反應效率低等問題仍然困擾著其規(guī)模化應用與發(fā)展。

  針對這一問題，陜西科技大學張美云教授團隊（全國高校黃大年式教師團隊）報道了利用原纖化/超聲/質(zhì)子供體耦合去質(zhì)子化法制備ANFs，使得ANFs制備周期從傳統(tǒng)的7天縮短至4 h，制備的ANFs具有小的直徑及尺度分布（10.7 ±1.0 nm），同時也探究了高濃度ANFs的制備，在12 h內(nèi)即可制得4.0%的高濃ANFs，成膜具有優(yōu)異的機械性能與熱穩(wěn)定性。本研究提出的ANFs高效制備方法工藝簡單、性能優(yōu)異，有望進一步推動其規(guī)模化生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化應用。

圖1 原纖化/超聲/質(zhì)子供體耦合去質(zhì)子化法制備ANFs的周期

  在此工作中，該團隊首先通過掃描電鏡（SEM）對PPTA纖維在去質(zhì)子化過程中纖維微觀形貌的演化進行了表征，探究了ANFs的成纖機理，并用拉曼（Raman）光譜進行了驗證；提出了一種利用電荷滴定定量表征PPTA纖維去質(zhì)子化反應終點的方法，為ANFs成纖終點的判斷與高效制備提供技術依據(jù)。其次研究了ANFs/DMSO添加質(zhì)子供體發(fā)生質(zhì)子化還原過程，研究結果表明相比于噴霧干燥得到的粉體狀ANFs，膠體狀ANFs是實現(xiàn)其長期保存與運輸?shù)淖罴褷顟B(tài)；原纖化與超聲預處理都可以加快PPTA纖維發(fā)生去質(zhì)子化反應速率，從而提升ANFs成纖效率。相比于機械處理，向KOH/DMSO體系中添加質(zhì)子供體使PPTA纖維在去質(zhì)子化的同時發(fā)生部分質(zhì)子化還原，從而降低ANFs/DMSO溶液黏度，加快去質(zhì)子化反應，顯著提升ANFs成纖效率，且成纖具有更高的剛性。最終通過濕法造紙技術將三種不同方法得到的ANFs抄造成納米紙，三種納米紙呈現(xiàn)出較高的透明性、優(yōu)異的機械強度與熱穩(wěn)定性，有望在電氣絕緣、電池隔膜、吸附過濾、柔性電極等領域具有一定的應用前景。

圖2 芳綸納米纖維廣泛的應用領域

  以上成果以題為“Timesaving, High-Efficiency Approaches to Fabricate Aramid Nanofibers”發(fā)表在ACS Nano上。陜西科技大學青年教師楊斌為論文第一作者兼通訊作者，張美云教授為共同通訊作者，論文通訊單位為陜西科技大學。該項工作得到國家重點研發(fā)計劃、陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃項目的支持。

  論文鏈接：http://doi.org/10.1021/acsnano.9b02258

  張美云教授，原陜西科技大學副校長、中國造紙學會副理事長，國家“萬人計劃”領軍人才，全國優(yōu)秀科技工作者、全國優(yōu)秀教師、國務院特殊津貼專家，獲得國家科技進步二等獎2項，省部級科學技術獎一等獎4項，授權國家發(fā)明專利50余件。張美云教授團隊一直致力于高性能纖維紙基功能材料的研究。近兩年團隊利用芳綸損紙作為原料制備了ANFs，解決了芳綸損紙作為廢棄聚合物難回用的問題，開發(fā)出芳綸納米絕緣紙，其拉伸強度與絕緣強度超過了目前應用最廣泛的杜邦公司生產(chǎn)的Nomex T410絕緣紙（ACS Sustain. Chem. Eng., 2018,6(7): 8954-8963）；利用ANFs與ANF膜作為芳綸絕緣紙的自增強材料，制備了機械性能與絕緣性能優(yōu)異的芳綸紙基復合材料（Compos. Part B-Eng, 2018,154:166-174）；基于ANFs優(yōu)異的性能，利用溶劑交換法與層層自組裝（LBL）制備了ANF/CNF（納米纖維素）復合材料，開發(fā)出兼具優(yōu)異的機械強度和抗水性、出色的紫外屏蔽與抗老化性能、耐溫性好的高性能納米纖維素基新材料，解決了傳統(tǒng)納米纖維素基材料易吸濕、濕強度差、熱穩(wěn)定性差等問題（Carbohyd. Polym, 2019,208 :372–381；Carbohyd. Polym, 2019, 203:110–118; Mater. Lett., 2019,240:165-168；）