羟基磷灰石亚纳米/聚酰亚胺复合材料

发布日期:2022-12-01 浏览次数:748

为了提升材料的力学性能或者赋予材料一些功能化的性能,通常会将一些无机材料,如陶瓷材料和金属纳米颗粒材料,分散于有机聚合物材料中,以满足材料性能的需求。现如今,已经有形形色色的复合材料被研发出来用于方方面面,从隐身战机的吸波涂层(羰基铁和聚合物的复合材料)到游湖小船所用的玻璃纤维增强复材料。然而,无机材料和有机材料之间往往在性质上有很大的差异,尤其是对光的折射率,这也就导致了二者混合的复合材料不可能具备优良的透光性能,因此也限制了复合材料的应用范围。

近期,清华大学王训教授团队制备出了一种透明的羟基磷灰石-聚酰亚胺复合材料。他们利用一种溶剂热方法来合成羟基磷灰石亚纳米纤维,这种羟基磷灰石亚纳米纤维在尺寸上与聚酰亚胺分子链相似,有利于形成均匀结构纳米复合材料。与普通的聚酰亚胺凝胶相比,羟基磷灰石亚纳米纤维-聚酰亚胺复合凝胶在粘度上增加了两个数量级,且其模量同时增加了一个数量级以上。聚合物链和亚纳米纤维之间的相互作用使形成具有剪切减薄特性的粘弹性网络。此外,使用羟基磷灰石亚纳米纤维-聚酰亚胺复合凝胶制作的薄膜拥有高透明度,所有比例的透明度均在85%以上。同时,由于羟基磷灰石亚纳米纤维的加入,可以通过调节羟基磷灰石亚纳米纤维薄膜的雾度,雾度值最大可达85%左右。在这个网络中,羟基磷灰石亚纳米纤维加强了聚合物链之间的键合,从而提高了复合材料薄膜的杨氏模量。这种组合提高了纳米复合材料的力学性能,同时保持并赋予了优良的光学性能。该工作以题为“Regulating the Mechanical and Optical Properties of Polymer based Nanocomposites by Sub-Nanowires”的文章发表于 Angewandte Chemie上。

文章来源:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202214571


羟基磷灰石亚纳米纤维增强复合材料的力学性能


亚纳米纤维是指一种直径小于1 nm、接近聚合物链直径的纳米线。当纳米结构的尺寸降至低于1纳米的尺度时,亚纳米纤维表面原子比接近100%,因此,聚合物和亚纳米纤维之间的相互作用将大大增强,通过这种分子层面的强相互作用,亚纳米纤维与聚合物分子链可以形成三维网络和凝胶,极大地提高聚合物的力学性能。羟基磷灰石亚纳米纤维主要由钙、磷和氧组成,其直径约为1.2 nm,并且可以均匀地分散在溶剂中,并具备丁达尔效应。

羟基磷灰石亚纳米纤维与聚合物由于配位作用可以交联形成三维网络。随着羟基磷灰石亚纳米纤维含量的增加,凝胶变得越来越粘稠,其表现出剪切变薄的特性,表明其具有非牛顿流体行为。透射电镜图像显示了凝胶的形态。羟基磷灰石亚纳米纤维在聚酰亚胺中均匀分散并且随机取向。由于羟基磷灰石亚纳米纤维的加入会引起了凝胶的雾化。在搅拌30天后,HSP-凝胶与其原始外观相比会变得清晰和透明,这是羟基磷灰石亚纳米纤维定向取向的结果。

随着羟基磷灰石亚纳米纤维含量的增加,复合薄膜的杨氏模量显著增加。HSP-5薄膜的模量可达到2.65±0.10 GPa,远远优于纯聚酰亚胺薄膜(1.90±0.12 GPa)。虽然加入羟基磷灰石亚纳米纤维可以提高复合薄膜的杨氏模量,但其抗拉强度几乎没有任何改善,基本保持在120 MPa。经过拉伸试验后,HSP-5薄膜中羟基磷灰石亚纳米纤维的形貌和结构不会被破坏,这种机械性能的改进可以用羟基磷灰石亚纳米纤维和聚酰亚胺之间的相互作用来解释。

复合薄膜在可见光区域表现出较高的透明度,由于其透光率均匀连续,超过85%。亚纳米线和聚合物链由于在尺寸上的相似,因此两种材料具有相似的透光率,导致复合薄膜的高透明度。HAPsnw同时可以实现漫射光,使得复合薄膜呈现雾状。通过调整HAPsnw的含量,可以控制薄膜的雾度,最大值可达到85%左右。并且,这种材料可与涂敷在多种基底上,实现透光和雾度的调控。

小结:该工作成功合成了超细和超长的羟基磷灰石亚纳米纤维。采用简单的策略制备了羟基磷灰石亚纳米纤维-聚酰亚胺的凝胶和薄膜。加入磷灰石亚纳米纤维后,复合凝胶的粘度和模量均有显著提高。同时,形成的复合薄膜保持了较高的透明度,其雾度可以被调节。该复合薄膜同时表现出增强的杨氏模量。由于这些性质上的增强,这种复合材料可以在工程材料和高性能的光学器件上有更多的潜在应用。


文章来源:清华大学王训教授 Angew:羟基磷灰石亚纳米/聚酰亚胺复合材料 (qq.com)