芳綸纖維具有優異的綜合性能，在各種工業應用中備受青睞。其中，間位芳綸纖維，也稱聚間苯二甲酰間苯二胺(PMIA)纖維，兼具阻燃、耐高溫、電隔離和高化學穩定性。其織物材料廣泛應用于防火、防熱等行業。然而，由于分子鏈中酰胺和苯環鍵之間缺乏偶聯，內旋能低，導致PMIA纖維鏈段柔軟、結晶度低，展現出較低的機械強度。因此，迫切需要改善這些纖維的機械特性，以擴大其應用范圍。納米復合材料的可以賦予基體材料許多獨特特性。其中，石墨烯納米復合材料占據突出地位。石墨烯面內的苯環結構使其可以有效增強芳香族和脂肪族類聚合物材料。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出更好的分散性，可在纖維類聚合物材料中展現出更明顯的增強效應。因此，使用高品質、小尺寸的石墨烯是增強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纖維的結構完整性和增加機械強度。結果顯示，與未改性的PMIA纖維相比，拉伸強度顯著提高46%。鑒于該方法的有效性，可以采用此種“小尺寸、高品質”的石墨烯來開發更強韌且更具商用價值的碳基納米復合纖維。
Fig 1. (a) 微波誘導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 基質中的石墨烯的詳細形態； (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) 的光學照片。圖1(a)微波誘導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 下的穩態流變行為和 (b) 損耗因子； (c) PMIA和石墨烯/PMIA共混纖維的DMA曲線； PMIA 和石墨烯/PMIA 纖維的 (d) DTG 曲線、(e) TG 曲線和 (f) 拉曼光譜。
Fig 4. (a) PMIA纖維和石墨烯/PMIA纖維的典型應力應變曲線；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度和斷裂伸長率； PMIA纖維（d）和石墨烯/PMIA纖維（e）拉伸斷裂形貌比較； (f)準靜態循環加載條件下PMIA纖維和石墨烯/PMIA纖維的應力應變曲線。
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。
相關研究工作由北京大學Jin Zhang和東華大學Junrong Yu課題組于2023年聯合在線發表在《物理化學學報》期刊上，Submicron-Sized, High Crystalline Graphene-Reinforced Meta-Aramid Fibers with Enhanced Tensile Strength，DOI: 10.3866/PKU.WHXB202307046
轉自《石墨烯研究》公眾號
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