芳綸納米纖維（aramid nanofibers, ANFs）作為近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型納米高分子材料，兼具對(duì)位芳綸纖維（PPTA）和高分子納米纖維的雙重優(yōu)勢(shì)，可解決芳綸纖維存在的表面光滑惰性強(qiáng)、復(fù)合界面強(qiáng)度弱等問(wèn)題。同時(shí)，ANFs可與聚合物基體通過(guò)物理/化學(xué)/自組裝交聯(lián)作用高效復(fù)合，使其成為構(gòu)建高性能復(fù)合材料極具潛力的“增強(qiáng)構(gòu)筑單元“，在納米復(fù)合材料領(lǐng)域起著重要的界面增強(qiáng)作用。然而，利用宏觀PPTA纖維通過(guò)去質(zhì)子化法制備ANFs自2011年被報(bào)道以來(lái)，ANFs制備周期長(zhǎng)（7天）、反應(yīng)濃度低（0.2%）、反應(yīng)效率低等問(wèn)題仍然困擾著其規(guī)�；瘧�(yīng)用與發(fā)展。

針對(duì)這一問(wèn)題，陜西科技大學(xué)張美云教授團(tuán)隊(duì)（全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)）報(bào)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(shí)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(jī)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(jiǎn)單、性能優(yōu)異，有望進(jìn)一步推動(dòng)其規(guī)模化生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(tuán)隊(duì)首先通過(guò)掃描電鏡（SEM）對(duì)PPTA纖維在去質(zhì)子化過(guò)程中纖維微觀形貌的演化進(jìn)行了表征，探究了ANFs的成纖機(jī)理，并用拉曼（Raman）光譜進(jìn)行了驗(yàn)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(yīng)終點(diǎn)的方法，為ANFs成纖終點(diǎn)的判斷與高效制備提供技術(shù)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(guò)程，研究結(jié)果表明相比于噴霧干燥得到的粉體狀A(yù)NFs，膠體狀A(yù)NFs是實(shí)現(xiàn)其長(zhǎng)期保存與運(yùn)輸?shù)淖罴褷顟B(tài)；原纖化與超聲預(yù)處理都可以加快PPTA纖維發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)速率，從而提升ANFs成纖效率。相比于機(jī)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(shí)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(yīng)，顯著提升ANFs成纖效率，且成纖具有更高的剛性。最終通過(guò)濕法造紙技術(shù)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(jī)械強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性，有望在電氣絕緣、電池隔膜、吸附過(guò)濾、柔性電極等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

圖2 芳綸納米纖維廣泛的應(yīng)用領(lǐng)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(xué)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(xué)。該項(xiàng)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)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(xué)副校長(zhǎng)、中國(guó)造紙學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才，全國(guó)優(yōu)秀科技工作者、全國(guó)優(yōu)秀教師、國(guó)務(wù)院特殊津貼專家，獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利50余件。張美云教授團(tuán)隊(duì)一直致力于高性能纖維紙基功能材料的研究。近兩年團(tuán)隊(duì)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(wèn)題，開(kāi)發(fā)出芳綸納米絕緣紙，其拉伸強(qiáng)度與絕緣強(qiáng)度超過(guò)了目前應(yīng)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(qiáng)材料，制備了機(jī)械性能與絕緣性能優(yōu)異的芳綸紙基復(fù)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(fù)合材料，開(kāi)發(fā)出兼具優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度差、熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題（Carbohyd. Polym, 2019,208 :372–381；Carbohyd. Polym, 2019, 203:110–118; Mater. Lett., 2019,240:165-168；）