近日,青岛大学姜义军教授团队在期刊《Composites Part B: Engineering》上,发表了最新研究成果“Bio-inspired, super-tough and strong, recyclable aramid nanofiber-reinforced polyurethane nanocomposite fibers with hierarchical hydrogen bonding and enhanced thermo-mechanical stability”。研究者通过将芳纶纳米纤维(ANF)引入富含氢键的聚氨酯(PU)体系并结合湿法纺丝技术,制备出了高强度、高韧性、可回收的ANF-PU纳米复合纤维材料。ANF-PU弹性体具有优异的透明度和比商用聚氨酯更好的紫外线(UV-A、UV-B、UV-C)屏蔽性能。

ANF-PU纳米复合纤维材料兼具有超高韧性(490MJ/m3)、高强度(167MPa)、高真实应力(1.67GPa),优于商用聚氨酯弹性体纤维及聚氨酯纳米复合纤维。超高的韧性与强度主要归因于ANF-PU纳米复合纤维材料中多级取向的ANFs与PU多重动态氢键的协同作用。此外,ANF-PU纳米复合纤维材料还具有良好的循环拉伸性能、热机械稳定性及优异的可回收性能。ANF-PU纳米复合纤维材料在柔性机器人和柔性可穿戴设备等领域具有潜在的应用前景。

图1:ANF-PU复合纤维的制备流程示意图。

通过原位合成PU弹性体、ANF胶体分散液(图1a)并利用湿法纺丝制备ANF-PU纳米复合纤维材料(图1b)。在PU原位聚合过程中,ANF胶体悬浮液被引入到PU基质中,ANF分子链中的羧基和羟基与PU硬段分子链中的羰基和氨基形成高密度、协同性氢键网络,从而使高浓度ANF均匀分散在PU网络中。随后,制备得到的ANF-PU弹性体通过湿法纺丝、湿拉伸、多级捻合以进一步改善ANF及PU的取向结构,随后复合纤维在张力下退火以加强ANF与PU界面间的氢键结合,并确保纤维内部ANF与PU紧密堆积。

图2:ANF-PU纳米复合纤维的力学性能

如图2a所示,ANF-PU纳米复合纤维的强度随着ANF的添加量改变,当添加量从0逐渐增加至45%时,ANF-PU纳米复合纤维的强度与韧性逐渐增加并在45%时达到最佳值。45%ANF-PU纳米复合纤维的力学强度、韧性、真实应力达到最高值,167MPa、490MJ/m3、1.67GPa。过高的添加量(60%)会因为ANF的团聚导致ANF/PUF复合纤维的力学性能下降。与商用聚氨酯弹性体与聚氨酯纳米复合纤维相比,ANF-PU纳米复合纤维不仅兼具高强度与高韧性,且还展现出了更高的韧性和伸长率。

图3:ANF/PU纳米复合纤维材料的循环拉伸性能及热处理后的循环拉伸性能。

图4:ANF/PU纳米复合纤维材料的稳定性及可回收性能展示。

此外,制备的ANF/PU纳米复合纤维材料还具有良好的拉伸循环性能和热机械稳定性。利用氢键的可逆性,采用溶剂辅助法成功回收了ANF-PU纳米复合纤维,且回收获得ANF/PU纳米复合纤维的力学性能与原始纤维保持一致,展示出优异的可回收性能。因此,ANF/PU纳米复合纤维材料具有的高强韧、可回收性能,在柔性机器人、柔性电子设备、汽车内饰等众多领域具有潜在的应用前景。