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电纺纳米纤维—聚合物基复合材料新兴增强填料

来源:西安交通大学 日期:2017年8月18日 14:47

       2017年8月8日,西安交通大学于德梅教授团队与北卡农工州立大学张立峰教授合作在国际顶级综述类期刊《聚合物科学进展》(Progress in Polymer Science)上在线发表题为“电纺纳米纤维——聚合物基复合材料新兴增强填料”(Electrospun Nanofiber: Emerging Reinforcing Filler in Polymer Matrix Composite Materials)的长篇综述论文。Progress in Polymer Science主要邀请聚合物研究领域内的权威科学家撰写综述,对世界范围内该领域的研究前沿、热点、现状和未来进行评述,每年仅出版文章45篇左右,在学术界具有重要影响。该期刊2016年影响因子为25.766,五年平均影响因子为32.367。

       

        聚合物基复合材料(Polymer Matrix Composite,PMC),特别是纤维增强聚合物基复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP),具有轻质、高强度、加工性优良等优点,在航空航天、电子电气、交通运输、建筑、机械制造等领域都有广泛应用。

       

       聚合物基纳米复合材料是近年来PMC领域的典型范例和研究前沿,其发展依赖于纳米填料制备技术,如碳纳米管(CNTs)和石墨烯(Graphene)的成功制备分别引发了相应PMC的研究热潮和跨越式发展。自1990年代起,静电纺丝技术(electrospinning)作为一种可制备连续纳米纤维的技术而备受关注。尽管电纺纳米纤维(electrospun nanofiber)目前主要用于分离、催化、传感器、能量转化与存储等领域,但其作为增强填料具有其他常见纳米尺度填料所不具备的综合优势,如连续、结构/直径可控、材质多样化、可取向/自组装以及规模化生产能力等,因此在发展下一代PMC中有望发挥巨大潜力。

                      图1  静电纺丝装置示意图(a)及其电纺纳米纤维(b)[1]

       

       该论文以于德梅、张立峰教授团队在聚合物微/纳米复合材料及静电纺丝及其聚合物基复合材料领域数十年的研究工作为基础,以电纺纳米纤维作为聚合物基复合材料新兴增强填料的优势为切入点,追溯了电纺纳米纤维增强聚合物基复合材料的发展脉络,系统综述了电纺纳米纤维在制备聚合物纳米复合材料(Polymer Nanocomposite)和聚合物复合层压材料(Polymer composite laminate)方面的最新进展及其在结构材料、生物医学材料及牙科材料方面的潜在应用,就纳米纤维参数(如直径、长径比、取向程度、填充量、结构、后处理、纤维层厚度等)、纳米纤维-聚合物基体界面相互作用、复合材料制备工艺等因素对聚合物复合材料力学性能的影响规律及机理进行了深入讨论和阐述,并对该领域当前面临的挑战及今后的发展方向做出了评述与展望。

                            图2 基于电纺纳米纤维的聚合物复合层压材料[2,3]

       

      于德梅教授团队长期以来从事聚合物基微纳米复合材料、功能性聚合物、有机/无机杂化材料的相关研究,近年来在上述材料的可控制备、结构设计,界面调控及其在介电、导电、导热、力学、微纳结构制造等高性能化领域开展了大量的工作,取得了一系列重要进展,相关成果发表在Advanced Energy Materials;Advanced Materials;Energy & Environmental Science;Journal of Materials Chemistry A;Carbon;Composites Science and Technology;Composites Part A;Soft Matter;Langmuir;The Journal of Physical Chemistry C;Nanotechnology;Materials & Design;Synthetic Metals;Reactive and Functional Polymers等国际知名期刊上。

       

       该论文通讯作者为西安交通大学于德梅教授和北卡农工州立大学张立峰教授,第一作者为西安交通大学博士生王国隆(导师于德梅教授)。

       

       以上工作得到了国家973计划项目子课题(No. 2009CB 724202)、国家自然科学基金项目(No. 51473133)、陕西省国际科技合作与交流计划重点项目(No. 2015KW-016)以及西安交通大学-北卡农工州立大学学术交流项目的支持。

 

论文链接:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670017300758

参考文献:

[1] Ji-Won Jung et al. J. Mater. Chem. A, 2016, 4:703.

[2] Xiang-Fa Wu et al. J. Appl. Polym. Sci., 2013, 129:1381-1393

[3] Shengjie Peng et al.Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 1225-1241

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