陕西科技大学张美云教授团队《ACS Nano》：省时高效制备芳纶纳米纤维研究获进展
芳纶纳米纤维（aramid nanofibers, ANFs）作为近年来开发的一种新型纳米高分子材料，兼具对位芳纶纤维（PPTA）和高分子纳米纤维的双重优势，可解决芳纶纤维存在的表面光滑惰性强、复合界面强度弱等问题。同时，ANFs可与聚合物基体通过物理/化学/自组装交联作用高效复合，使其成为构建高性能复合材料极具潜力的“增强构筑单元“，在纳米复合材料领域起着重要的界面增强作用。然而，利用宏观PPTA纤维通过去质子化法制备ANFs自2011年被报道以来，ANFs制备周期长（7天）、反应浓度低（0.2%）、反应效率低等问题仍然困扰着其规模化应用与发展。
针对这一问题，陕西科技大学张美云教授团队（全国高校黄大年式教师团队）报道了利用原纤化/超声/质子供体耦合去质子化法制备ANFs，使得ANFs制备周期从传统的7天缩短至4 h，制备的ANFs具有小的直径及尺度分布（10.7 ±1.0 nm），同时也探究了高浓度ANFs的制备，在12 h内即可制得4.0%的高浓ANFs，成膜具有优异的机械性能与热稳定性。本研究提出的ANFs高效制备方法工艺简单、性能优异，有望进一步推动其规模化生产与产业化应用。
图1 原纤化/超声/质子供体耦合去质子化法制备ANFs的周期
在此工作中，该团队首先通过扫描电镜（SEM）对PPTA纤维在去质子化过程中纤维微观形貌的演化进行了表征，探究了ANFs的成纤机理，并用拉曼（Raman）光谱进行了验证；提出了一种利用电荷滴定定量表征PPTA纤维去质子化反应终点的方法，为ANFs成纤终点的判断与高效制备提供技术依据。其次研究了ANFs/DMSO添加质子供体发生质子化还原过程，研究结果表明相比于喷雾干燥得到的粉体状ANFs，胶体状ANFs是实现其长期保存与运输的最佳状态；原纤化与超声预处理都可以加快PPTA纤维发生去质子化反应速率，从而提升ANFs成纤效率。相比于机械处理，向KOH/DMSO体系中添加质子供体使PPTA纤维在去质子化的同时发生部分质子化还原，从而降低ANFs/DMSO溶液黏度，加快去质子化反应，显著提升ANFs成纤效率，且成纤具有更高的刚性。最终通过湿法造纸技术将三种不同方法得到的ANFs抄造成纳米纸，三种纳米纸呈现出较高的透明性、优异的机械强度与热稳定性，有望在电气绝缘、电池隔膜、吸附过滤、柔性电极等领域具有一定的应用前景。
图2 芳纶纳米纤维广泛的应用领域
以上成果以题为“Timesaving, High-Efficiency Approaches to Fabricate Aramid Nanofibers”发表在ACS Nano上。陕西科技大学青年教师杨斌为论文第一作者兼通讯作者，张美云教授为共同通讯作者，论文通讯单位为陕西科技大学。该项工作得到国家重点研发计划、陕西省重点科技创新团队计划项目的支持。
论文链接：
http://doi.org/10.1021/acsnano.9b02258
张美云教授，原陕西科技大学副校长、中国造纸学会副理事长，国家“万人计划”领军人才，全国优秀科技工作者、全国优秀教师、国务院特殊津贴专家，获得国家科技进步二等奖2项，省部级科学技术奖一等奖4项，授权国家发明专利50余件。张美云教授团队一直致力于高性能纤维纸基功能材料的研究。近两年团队利用芳纶损纸作为原料制备了ANFs，解决了芳纶损纸作为废弃聚合物难回用的问题，开发出芳纶纳米绝缘纸，其拉伸强度与绝缘强度超过了目前应用最广泛的杜邦公司生产的Nomex T410绝缘纸（ACS Sustain. Chem. Eng., 2018,6(7): 8954-8963）；利用ANFs与ANF膜作为芳纶绝缘纸的自增强材料，制备了机械性能与绝缘性能优异的芳纶纸基复合材料（Compos. Part B-Eng, 2018,154:166-174）；基于ANFs优异的性能，利用溶剂交换法与层层自组装（LBL）制备了ANF/CNF（纳米纤维素）复合材料，开发出兼具优异的机械强度和抗水性、出色的紫外屏蔽与抗老化性能、耐温性好的高性能纳米纤维素基新材料，解决了传统纳米纤维素基材料易吸湿、湿强度差、热稳定性差等问题（Carbohyd. Polym, 2019,208 :372–381；Carbohyd. Polym, 2019, 203:110–118; Mater. Lett., 2019,240:165-168；）
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