芳綸纖維具有優(yōu)異的綜合性能，在各種工業(yè)應(yīng)用中備受青睞。其中，間位芳綸纖維，也稱(chēng)聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)纖維，兼具阻燃、耐高溫、電隔離和高化學(xué)穩(wěn)定性。其織物材料廣泛應(yīng)用于防火、防熱等行業(yè)。然而，由于分子鏈中酰胺和苯環(huán)鍵之間缺乏偶聯(lián)，內(nèi)旋能低，導(dǎo)致PMIA纖維鏈段柔軟、結(jié)晶度低，展現(xiàn)出較低的機(jī)械強(qiáng)度。因此，迫切需要改善這些纖維的機(jī)械特性，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。納米復(fù)合材料的可以賦予基體材料許多獨(dú)特特性。其中，石墨烯納米復(fù)合材料占據(jù)突出地位。石墨烯面內(nèi)的苯環(huán)結(jié)構(gòu)使其可以有效增強(qiáng)芳香族和脂肪族類(lèi)聚合物材料。此外，與大尺寸的石墨烯相比，小尺寸的石墨烯在聚合物基體中表現(xiàn)出更好的分散性，可在纖維類(lèi)聚合物材料中展現(xiàn)出更明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。因此，使用高品質(zhì)、小尺寸的石墨烯是增強(qiáng)聚合物基體的有效手段。我們的研究展示了亞微米尺寸的石墨烯如何改善PMIA纖維的結(jié)構(gòu)完整性和增加機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)果顯示，與未改性的PMIA纖維相比，拉伸強(qiáng)度顯著提高46%。鑒于該方法的有效性，可以采用此種“小尺寸、高品質(zhì)”的石墨烯來(lái)開(kāi)發(fā)更強(qiáng)韌且更具商用價(jià)值的碳基納米復(fù)合纖維。
Fig 1. (a) 微波誘導(dǎo)石墨烯制造工藝方案； （b，c）所制備的石墨烯粉末的低倍TEM圖像和相應(yīng)的拉曼光譜； (d)石墨烯/PMIA纖維的示意圖。
Fig 2. (a) 石墨烯/PMIA 纖維橫截面的 TEM 圖像。黃色箭頭突出顯示了均勻分散的石墨烯的存在； (b) HRTEM 圖像顯示分散在 PMIA 基質(zhì)中的石墨烯的詳細(xì)形態(tài)； (c-e) 熱拉伸后PMIA初紡纖維、1%石墨烯/PMIA初紡纖維和1%石墨烯/PMIA纖維的橫截面和表面的SEM圖像。插圖：PMIA 聚合溶液 (c) 和石墨烯/PMIA 共混聚合溶液 (d) 的光學(xué)照片。圖1(a)微波誘導(dǎo)石墨烯制備工藝示意圖； （b，c）所制備的石墨烯粉末的低倍TEM圖像和相應(yīng)的拉曼光譜； (d)石墨烯/PMIA纖維的示意圖。
Fig 3. (a) 純 PMIA 和石墨烯/PMIA 溶液在 40 °C 下的穩(wěn)態(tài)流變行為和 (b) 損耗因子； (c) PMIA和石墨烯/PMIA共混纖維的DMA曲線(xiàn)； PMIA 和石墨烯/PMIA 纖維的 (d) DTG 曲線(xiàn)、(e) TG 曲線(xiàn)和 (f) 拉曼光譜。
Fig 4. (a) PMIA纖維和石墨烯/PMIA纖維的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)；不同石墨烯含量的初紡（b）和熱拉伸（c）石墨烯/PMIA纖維的平均最大拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率； PMIA纖維（d）和石墨烯/PMIA纖維（e）拉伸斷裂形貌比較； (f)準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)加載條件下PMIA纖維和石墨烯/PMIA纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。
Fig 5. (a) 不同石墨烯含量的PMIA纖維的2D-WAXD圖； (b) 面板中 2D-WAXD 圖案的方位角掃描剖面； (c,d)不同石墨烯含量的PMIA纖維的XRD圖和取向度。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)Jin Zhang和東華大學(xué)Junrong Yu課題組于2023年聯(lián)合在線(xiàn)發(fā)表在《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上，Submicron-Sized, High Crystalline Graphene-Reinforced Meta-Aramid Fibers with Enhanced Tensile Strength，DOI: 10.3866/PKU.WHXB202307046
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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