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高分子科学与工程学院马凤国教授团队在连续、高效芳纶纳米纤维生产技术领域取得新进展

作者:马艺慧 来源:高分子学院 责任编辑:方璇   终审:张岩 点击: 日期:2024-04-10

芳纶纳米纤维(ANFs)被认为是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)在纳米尺度排列上的一种极其重要的聚集物,在保留PPTA高强度和高模量等原有优势的基础上,也能在溶液中展现良好的分散性能,从而可以在纳米级构建块和多种宏观结构之间起桥梁作用。当前,芳纶纳米纤维及其衍生物已在军事领域的能量吸收装甲、航天器中的热/声绝缘体、储能和电磁屏蔽中的机械增强材料,以及红外隐身等重点领域被广泛应用,高效的芳纶纳米纤维生产技术在先进材料制造方面受到极大重视。尽管许多科研人员专注于芳纶纳米纤维的先进生产技术开发,但是,截至目前芳纶纳米纤维的制备效率仍较低,通常需要至少几天甚至一周以上的时间,并且无法实现连续化和大规模生产。因此连续有效地制备均匀的芳纶纳米纤维仍然是一个挑战,更是严重限制了大多数芳纶纳米纤维产品的实际应用。

针对该领域的问题,高分子科学与工程学院马凤国副教授团队联合中科院苏州纳米研究所,开发了一种基于微流控去质子化方法的连续、高效、可扩展、均匀和可视化的芳纶纳米纤维(M-ANFs)生产技术。利用透明的特制心形微反应器,通过直接监测芳纶颗粒的剥离过程,定量确定了相应的剥离机理及动力学方程。通过Comsol模拟,展示了心形微反应器内芳纶颗粒的旋转速度和局部剪切/混合的协同效应,使得芳纶纳米纤维剥离所需时间从传统的数天缩短到7分钟,效率显著提高。制备得到的芳纶纳米纤维直径在6—11nm,通过改变流体参数如流速、停留时间和温度实现了ANFs直径的有效调控。此外,采用级联微流控策略联合冷冻干燥技术制备了一系列ANFs胶体气凝胶,包括气凝胶纤维、气凝胶薄膜和三维打印气凝胶产品。此策略将微流控实现连续分散体制备工艺与后续自组装技术相结合,无需预收集即可实现从原料直接得到纤维、薄膜和3D打印产品,大幅降低了气凝胶的生产成本。综合表征结果表明,这些级联微流控处理的胶体气凝胶与传统间歇式式制备的气凝胶具有相同的特征,表明这些M-ANFs的多用途价值。这项工作在连续高效制备ANFs方面取得了重大进展,为基于ANFs的材料的实际应用带来了可观的前景,并为其他纳米构件的剥离提供了灵感。

该成果以“Visible Microfluidic Deprotonation for Aramid Nanofibers as Building Blocks of Cascade-Microfluidic-Processed Colloidal Aerogels”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials(中科院一区,IF=29.4)上。金沙唯一官方娱乐场为第一通讯单位,文章的第一作者是高分子学院硕士研究生丁亚菲和中科院苏州纳米所博士后程青青,通讯作者为马凤国副教授和中科院苏州纳米研究所的张学同研究员。该研究得到了国家自然科学基金(52303388,52173052,52373257)、中国博士后科学基金(2023M742552)和苏州市科技计划(SYC2022125)项目的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400101

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