芳綸納米纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用
芳綸是以芳香族大分子原料經(jīng)縮聚紡絲制得的線性高分子纖維,具有機械性能強、質(zhì)量輕、耐酸堿等優(yōu)異性能,分為間位芳綸和對位芳
圖1 對位芳綸的分子結(jié)構(gòu)圖
Fig. 1 Molecular structure of para-aramid
柔性電子器件以其獨特的柔性、延展性和高效、低成本的制造工藝,在信息能源、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)
本文對比總結(jié)了芳綸納米纖維的制備方法和芳綸納米纖維與不同的碳材料、金屬材料和導(dǎo)電聚合物結(jié)合形成導(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法,并且介紹了其在電磁屏蔽、超級電容器、壓力傳感器及氧還原電催化領(lǐng)域的應(yīng)用,并對芳綸納米纖維基導(dǎo)電復(fù)合材料未來的發(fā)展趨勢進行了展望。
靜電紡絲是一種常見的制備聚合物納米纖維的技術(shù),其原理是在強電場作用下高分子聚合物被賦予一定加速度得以拉伸噴射形成小液滴,高速射流溶劑受到電場的作用不斷揮發(fā),帶電液滴間的靜電排斥力也不斷增大,最終導(dǎo)致細化分裂,形成了靜電紡絲纖
機械輔助制備的ANFs通常不破壞化學(xué)結(jié)構(gòu),能保持其原有的優(yōu)異力學(xué)性能、耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性。Ifuku等
堿溶法制備芳綸納米纖維屬于化學(xué)法且具有低能耗的優(yōu)勢。Takayanagi等
Koo等
圖2 ANFs制備方法示意
Fig. 2 Schematic illustration of fabrication methods for ANF
芳綸納米纖維由于其良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的耐腐蝕性,常和導(dǎo)電材料復(fù)合應(yīng)用。本文中介紹了3種與導(dǎo)電材料復(fù)合的類型。
碳納米管(CNTs)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、強的力學(xué)性能、高穩(wěn)定性以及質(zhì)量輕等優(yōu)點。Hu等
圖3 FC-ANFs/CNT混合氣凝膠膜的制備、結(jié)構(gòu)組成及其多功能
Fig. 3 Schematic of the fabrication and structural composition of the FC-ANFs/CNT hybrid aerogel film and its multifunctionalit
除了一維碳材料,芳綸納米纖維還可以與二維碳材料(比如石墨烯納米片)組合成復(fù)合材料。石墨烯納米片由于缺乏官能團,很難加工成自組裝結(jié)
Sas等
相比于碳材料,金屬納米填料與芳綸納米纖維基底結(jié)合的優(yōu)點在于其電導(dǎo)率要高很多。目前,不同種類、不同尺寸的金屬納米顆粒已被成功合成,并廣泛應(yīng)用于電學(xué)、傳感器等領(lǐng)域的研究中。其中金納米顆粒(Au NPs)和銀納米顆粒(Ag NPs)由于合成方法簡單快速,納米顆粒穩(wěn)定、不易被氧化,粒徑分布窄等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)
MXenes材料是一種具有親水表面的新型二維化合物,由于具有高比表面積、優(yōu)良的電導(dǎo)率、化學(xué)活性表面和強電磁波吸收等特性,在微波吸收和電磁屏蔽材料中具有巨大的潛
Lei等
圖4 MXene/ANFs復(fù)合薄膜的制備及性
Fig. 4 Preparation and properties of MXene/ANFs composite film
Wang等
導(dǎo)電聚合物與ANFs結(jié)合后的導(dǎo)電復(fù)合材料具有許多優(yōu)點,可以在較大范圍內(nèi)根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)其機械性能與導(dǎo)電性等,并且它的化學(xué)穩(wěn)定性良好,易于成型和大批量生產(chǎn)。
聚吡咯(PPy)是一種常見的導(dǎo)電聚合物,具有高導(dǎo)電性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性、易于合成且無毒。Han等
聚苯胺(PANI)的分子結(jié)構(gòu)與芳綸的組成單位PPTA分子非常相似,將ANFs經(jīng)PANI摻雜后可具有導(dǎo)電性及電學(xué)性能。Lyu等
由于芳綸納米纖維的加入,導(dǎo)電復(fù)合材料的力學(xué)性能得到改善,同時也為電學(xué)應(yīng)用的研究提供新的思路。本文主要介紹芳綸納米纖維基導(dǎo)電材料在電磁屏蔽、傳感器、超級電容器及氧還原反應(yīng)(ORR)電催化4個領(lǐng)域的應(yīng)用。
由于電子通信設(shè)備的迅速增加和頻譜范圍的擴大,控制電磁干擾的任務(wù)變得非常嚴(yán)峻和具有挑戰(zhàn)
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圖5 電磁屏蔽的機
Fig. 5 Mechanism of electromagnetic shieldin
當(dāng)進行反射損耗時,屏蔽材料在磁場中有可自由移動的載流子,具有良好的導(dǎo)電性,屏蔽材料的多孔結(jié)構(gòu)也會增加多重反射的次數(shù),從而提高屏蔽效能。一般來說,具有良好導(dǎo)電性能的材料的電磁屏蔽機制主要取決于電磁波的反射。
目前,金屬材料仍然是電磁屏蔽的首選,因為他們導(dǎo)電性好、具有優(yōu)異的電磁屏蔽效
Xie等
圖6 雙層納米復(fù)合材料
Fig. 6 Double-layers nanocomposite paper materia
由于化石燃料的快速消耗,以及使用它們造成的污染,可持續(xù)能源仍然是一個重要的全球問題。電能是迄今為止最方便的能源形式,但電力存在發(fā)電強度和頻率隨機變化的缺
將ANFs作為活性導(dǎo)電物質(zhì)的機械增強材料,使得ANFs基超級電容器電極在成本、多功能性和環(huán)境友好性方面具有顯著的優(yōu)勢。Yin等
Flouda等
自組裝石墨烯水凝膠由于優(yōu)異的比表面積、高孔隙率和連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在電化學(xué)能量儲存領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Sas等
傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝
Han等
隨著化石燃料的加速枯竭和一系列的環(huán)境問題,先進的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。其中,燃料電池、金屬-空氣電池等新型電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置的商業(yè)化應(yīng)用主要受限于氧還原反應(yīng)(ORR)的動力學(xué)障礙及陰極上使用鉑基催化劑的高昂成
Ren等
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,單一的導(dǎo)電材料慢慢向復(fù)合導(dǎo)電材料進行過渡。芳綸納米纖維作為一種新型高分子纖維材料,由于其獨特的結(jié)構(gòu)更易與導(dǎo)電材料結(jié)合,在維持電子器件導(dǎo)電性的情況下增強了耐用性,為大規(guī)模生產(chǎn)和多功能應(yīng)用提供了可能,在實現(xiàn)可持續(xù)能源的發(fā)展方面具有很好的開發(fā)前景。
芳綸納米纖維作為一種性能優(yōu)異的納米單元,有效地解決了芳綸纖維本身光滑、化學(xué)反應(yīng)活性低的難題,經(jīng)處理后的納米纖維表面的酰胺基團可以與各種導(dǎo)電材料復(fù)合,極大地豐富了其在電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。未來芳綸納米纖維在電學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展將更多地集中在以下幾點。
4.1 復(fù)合方法。由于芳綸納米纖維本身表面只有單一的酰胺基團,結(jié)合能力較差,通常需要加入交聯(lián)劑來提高材料的穩(wěn)定性。如何對ANFs表面進行活性處理仍需要進一步深入的研究。
4.2 導(dǎo)電復(fù)合材料制備方式。目前的芳綸納米基導(dǎo)電復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜且效率低,需要進一步推廣更高效、更環(huán)保的規(guī)?;圃旆椒?。ANFs在高性能纖維表面構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)中起著不可或缺的作用,然而,關(guān)于纖維與基體界面的應(yīng)力傳遞機理和定量表征的報道很少,ANFs基導(dǎo)電復(fù)合材料的界面厚度和界面模量梯度變化值得進一步研究,在實際應(yīng)用中也具有重要的意義。
4.3 電學(xué)與力學(xué)性能的平衡。通常情況下,由于芳綸納米纖維的加入,復(fù)合材料的電學(xué)性能會受到影響,如何在不破壞電學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高力學(xué)性能也是一個需要不斷研究的過程。
4.4 多功能化與規(guī)?;瘧?yīng)用。目前報道的由芳綸納米纖維制成的材料具有優(yōu)異的機械強度與韌性強的優(yōu)點,在柔性電極制造和聚合物增強等電學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,未來應(yīng)聚焦于如何將這些優(yōu)點與高效、低成本的制備技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)多功能化與規(guī)?;膽?yīng)用。
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