近日，陕西科技大学张美云教授和李金宝教授团队联合发表了一篇关于芳纶纤维的综述《芳纶纳米纤维基功能复合材料：制备、应用与展望》。 本文深入研究了ANFS的制备方法，揭示了制备具有特定性质和形态的ANFS的技术，作者批判性地评估了驱动这些非凡性质的机制。 此外，作者还研究了不同形式的ANF基复合材料在微观结构方面的独特性能，即1D、2D和3D结构，特别是那些与其特定应用相关的结构。
来源：复合材料 B 部分
ANFS的准备策略
从PPTA纤维制备ANFS的不同方法包括聚合诱导自组装、机械剥离、静电纺丝、去质子化和机械辅助去质子化。
1.聚合诱导自组装（PISA）。
PISA是一种自下而上的方法，用于通过在溶剂中共聚从单体中制备纳米纤维分散体。 这种方法的优点之一是易于改性单体。 通过在制备过程中调整单体或添加可共聚单体，可以调整所得ANFS的质量以满足特定需求。 当对间苯二胺（PPD）和对苯二甲酰氯（TPC）相互作用时，PPTA通过缩聚形成，导致PPTA链的生长。 为了控制缩聚反应并获得ANFS而不是PPTA纤维，通常在缩聚装置中引入甲氧基聚乙二醇（MPEG）。
2.机械降解法
PPTA纤维具有典型的表皮-芯结构，这使其具有出色的机械性能，包括高强度和模量，以及良好的塑性和韧性。 它们的分子链在轴向排列时表现出较强的原子键，而在径向排列时表现出较弱的分子间键合，从而产生显着的各向异性强度。 在机械应力作用下，PPTA纤维的外层在纵向上会受到侵蚀，从而产生ANFS。
3. 静电纺丝
静电纺丝通常用于聚合物纳米纤维的生产。 然而，静电纺丝制备ANFS存在一个显著的问题，即PPTA聚合物链的规则结构和这些链之间的分子间氢键较强，难以溶解在普通溶剂中。 浓硫酸等强酸可以溶解PPTA纤维，然而，强酸的腐蚀性阻碍了该技术的广泛采用。
4. 去质子化
在DMSO KOH系统中通过去质子化制备ANF是一种自上而下的策略。 在去质子化过程中，二甲基亚砜 （DMSO） 从芳香族纤维 （AF） 的氨基中去除氢原子。 负电荷逐渐积聚在芳香族分子链上，导致静电排斥和AF**进入超细纤维。 随着去质子化程度的增加，芳香链之间的静电排斥力增加，从而破坏了AF分子之间的氢键，实现了纳米级AF。 此外，质子供体（C（OH-））的加入可以缩短制备过程，提高制备效率。
与其他策略相比，这种去质子化过程消除了额外的能量消耗，同时产生更小、尺寸更均匀的 ANFS，最终导致 ANFS 薄膜具有更高的性能。
5. 机械辅助去质子化
机械辅助去质子化可以提高ANFS的效率和性能。 近年来，研究人员引入了一种新方法，即湿球磨辅助去质子化，用于快速生产超细直径ANFS。 在球磨过程中，锆球利用其强大的剪切力和冲击力将大纤维破碎成更小的超细纤维。 球磨加速了去质子化反应，并通过允许DMSO KOH溶液深入芳香纤维，增加反应物之间的接触面积来减小ANFS的直径。
ANFS及其复合材料的形貌
在复合材料领域，纳米纤维（ANFS）可以通过湿法纺丝与高分子材料、无机材料、纱线结合，形成具有优异强度和韧性的一维复合纤维。 ANFS还可以与氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNT）和MXENE等导电材料混合，利用ANF之间的氢键制造高韧性纳米复合导电纤维。 特别是，通过同心湿纺制备的ANFS MXENE芯壳纤维具有导电的MXENE芯和坚韧的ANFS外壳，使这些纤维具有很强的耐化学腐蚀、极端温度和抗弯曲疲劳的能力。 ANFS表面富含官能团，是通过化学修饰引入其他官能团或分子的理想载体。 通常，ANFS与其他功能材料混合，为特定应用做准备薄膜、纸张、涂料和织物。
此外，ANFS还可以成为3D ANF复合气凝胶开发的关键组件。ANFS可单独使用，也可与其他组分组合使用，通过冻干、3D打印、溶剂交换等方法制备气凝胶材料。
同时，基于ANFS的水凝胶柔软而有弹性，使其成为医疗和传感应用的理想选择。 这些水凝胶还具有药物输送和软机器人应用的潜力。 在航空航天、建材、汽车等各个行业，芳纶蜂窝材料因其高强度、高刚度和轻量化特性而受到青睐。
ANFS及其复合材料具有多种形态和多功能结构，具有广泛的功能和性能，适用于不同领域的各种应用。 ANFS复合材料的成分和结构往往对ANFS复合材料的性能有很大影响，而制备和成型方法决定了材料的结构。 在ANFS的未来发展中，材料制备方法的优化升级和多功能结构的设计是研究的重点。 其结构特性、性能和应用之间的相关性对于实现ANF基材料的最大价值潜力至关重要。
图：芳纶纤维的复合形貌及应用。
芳纶纤维复合材料的应用领域
1.能源设备
柔性能源装置非常灵活，能够适应不同的工作环境，能够满足设备的变形要求。 在过去的408年里，ANFS已广泛应用于柔性能源器件、柔性电池、超级电容器和摩擦纳米发电机等领域。 ANFS的一个显着特点是其表面有丰富的酰胺官能团，这已被证明有助于提高材料的导电性。 凭借其优异的机械性能、化学稳定性和纳米级特性以及高活性酰胺官能团，ANFS脱颖而出，成为高性能柔性电子材料的首选。
2.防护材料
ANFS纳米纤维在掺入保护性复合材料中时具有几个显着的优势，主要是由于它们能够显着提高复合材料的机械性能。 这些纳米纤维具有很高的比表面积，使它们能够在微观尺度上有效地增强复合材料。 此外，其卓越的强度重量比使其能够提高材料的强度，同时最大限度地减少额外的重量。 此外，ANFS还具有出色的耐热性和耐腐蚀性、电磁屏蔽性和紫外线辐射性能。 因此，这些材料被广泛应用于消防、电子封装、建筑和军事装备等各个领域。 ANFS的机械和功能特性的独特组合使其成为一种有价值的多功能材料，可在广泛的应用中增强保护复合材料的性能和耐久性。
3. EMI屏蔽
与传统金属材料相比，高分子基EMI屏蔽材料具有重量轻、密度低、柔韧性好、化学稳定性强、环保等优点。 目前，大多数聚合物不具有电磁屏蔽能力，但固有导电的聚合物除外，例如 PPY、PANI 和聚噻吩。 为了赋予聚合物EMI屏蔽性能，在聚合物基质中添加了导电和/或磁性填料。 因此，由聚合物或纳米纤维（如CNF、ANFS）、碳基材料（GO、碳纳米管）和无机化合物组成的具有良好EMI屏蔽性能的柔性导热薄膜已被广泛研究。
4.绝缘材料
芳纶纤维因其绝缘性，加上超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能，是最适合做绝缘材料的原料之一。 用芳纶纤维编织而成的布（或纸）广泛用于电气和电子绝缘，如变压器的铁芯、层间和相间绝缘，电机的沟槽衬里绝缘，电路板基板，雷达天线，一般芳纶纤维材料将用作绝缘圆柱体的原料或绝缘棒用于成品绝缘。
5.吸附材料
ANF的膜和气凝胶结构致密，孔隙丰富，有利于各种污染物的分离、过滤和吸附。 这些材料用于气体和液体的过滤、空气和水的净化、溢油的清理以及化学吸附，因为比表面积高，纤维的吸附性很强。 它们强大的分子间作用力，包括氢键和堆叠，能够有效地吸附多种分子，包括有机化合物和污染物。 ANFS还表现出良好的化学稳定性，即使在恶劣的环境中也能保持吸附能力。
6. 医疗应用
芳纶纳米纤维具有良好的生物相容性和生物降解性，可用于制备生物医用材料和药物载体。 例如，芳纶纳米纤维制备的药物载体可以实现药物的精确递送和控释，这对提高药物的效果和降低药物的有效性具有重要意义。
总之，ANFS已成为一种非常了不起的纳米聚合物材料，具有广泛的潜在应用。 为了进一步释放其潜力并在该领域取得进展，重点开发更简单、更高效的制备方法，探索多功能ANF复合涂层，扩大ANFS复合气凝胶的应用范围至关重要。 通过持续的研发工作，ANFS有望在纳米技术和复合材料领域发挥越来越重要的作用，这一趋势可能会为各行业的创新和可持续解决方案开辟新的和令人兴奋的可能性。
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