芳纶纤维具有优异的综合性能，在各种工业应用中备受青睐。其中，间位芳纶纤维，也称聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)纤维，兼具阻燃、耐高温、电隔离和高化学稳定性。其织物材料广泛应用于防火、防热等行业。然而，由于分子链中酰胺和苯环键之间缺乏偶联，内旋能低，导致PMIA纤维链段柔软、结晶度低，展现出较低的机械强度。因此，迫切需要改善这些纤维的机械特性，以扩大其应用范围。纳米复合材料的可以赋予基体材料许多独特特性。其中，石墨烯纳米复合材料占据突出地位。石墨烯面内的苯环结构使其可以有效增强芳香族和脂肪族类聚合物材料。此外，与大尺寸的石墨烯相比，小尺寸的石墨烯在聚合物基体中表现出更好的分散性，可在纤维类聚合物材料中展现出更明显的增强效应。因此，使用高品质、小尺寸的石墨烯是增强聚合物基体的有效手段。我们的研究展示了亚微米尺寸的石墨烯如何改善PMIA纤维的结构完整性和增加机械强度。结果显示，与未改性的PMIA纤维相比，拉伸强度显著提高46%。鉴于该方法的有效性，可以采用此种“小尺寸、高品质”的石墨烯来开发更强韧且更具商用价值的碳基纳米复合纤维。
 
Fig 1. (a) 微波诱导石墨烯制造工艺方案； （b，c）所制备的石墨烯粉末的低倍TEM图像和相应的拉曼光谱； (d)石墨烯/PMIA纤维的示意图。
 
Fig 2. (a) 石墨烯/PMIA 纤维横截面的 TEM 图像。黄色箭头突出显示了均匀分散的石墨烯的存在； (b) HRTEM 图像显示分散在 PMIA 基质中的石墨烯的详细形态； (c-e) 热拉伸后PMIA初纺纤维、1%石墨烯/PMIA初纺纤维和1%石墨烯/PMIA纤维的横截面和表面的SEM图像。插图：PMIA 聚合溶液 (c) 和石墨烯/PMIA 共混聚合溶液 (d) 的光学照片。图1(a)微波诱导石墨烯制备工艺示意图； （b，c）所制备的石墨烯粉末的低倍TEM图像和相应的拉曼光谱； (d)石墨烯/PMIA纤维的示意图。
 
Fig 3. (a) 纯 PMIA 和石墨烯/PMIA 溶液在 40 °C 下的稳态流变行为和 (b) 损耗因子； (c) PMIA和石墨烯/PMIA共混纤维的DMA曲线； PMIA 和石墨烯/PMIA 纤维的 (d) DTG 曲线、(e) TG 曲线和 (f) 拉曼光谱。
 
Fig 4. (a) PMIA纤维和石墨烯/PMIA纤维的典型应力应变曲线；不同石墨烯含量的初纺（b）和热拉伸（c）石墨烯/PMIA纤维的平均最大拉伸强度和断裂伸长率； PMIA纤维（d）和石墨烯/PMIA纤维（e）拉伸断裂形貌比较； (f)准静态循环加载条件下PMIA纤维和石墨烯/PMIA纤维的应力应变曲线。
 
Fig 5. (a) 不同石墨烯含量的PMIA纤维的2D-WAXD图； (b) 面板中 2D-WAXD 图案的方位角扫描剖面； (c,d)不同石墨烯含量的PMIA纤维的XRD图和取向度。
 
       相关研究工作由北京大学Jin Zhang和东华大学Junrong Yu课题组于2023年联合在线发表在《物理化学学报》期刊上，Submicron-Sized, High Crystalline Graphene-Reinforced Meta-Aramid Fibers with Enhanced Tensile Strength，DOI: 10.3866/PKU.WHXB202307046

转自《石墨烯研究》公众号

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