芳纶纳米纤维：从纳米构筑单元到先进功能材料

芳纶纳米纤维(ANF)作为近年来开发的新型高分子纳米纤维,兼具宏观芳纶纤维与纳米纤维的双重优势:既保留了芳纶本征耐温、阻燃及绝缘性能,同时又具有纳米尺度、高长径比、大比表面积等特性,展现出更优的机械强度与独特的溶液加工性,可通过湿法纺丝、造纸、溶胶-凝胶及3D打印等多种成型工艺制备多维度芳纶纳米纤维基功能材料,成为构建高性能复合材料理想的"构筑单元",受到科研与工业界的广泛关注,展现出极大的工业化应用前景.本书基于笔者及团队十余年来在该领域系统性的研究积累,并结合该领域国内外学者前沿研究进展,全面系统地阐述了芳纶纳米纤维的高效制备、结构与特性,多维芳纶纳米纤维基功能材料的设计与组装策略,及其在复合增强、电气绝缘、电池隔膜、柔性电子等新兴领域的最新研究进展和未来发展趋势.本书对于丰富现有纳米纤维制备技术与理论、突破限制芳纶纳米纤维规模化生产与多元化应用的瓶颈问题、开发新型高性能纳米纤维功能材料具有一定的科学价值与实用意义.本书可供高等院校轻工、纺织、化工、材料等相关专业本科生、研究生参考,也可作为高性能纸基功能材料与纳米纤维复合材料等领域科研和工程技术人员的参考书.

目录
序
Foreword
前言
第1章 概述 1
1.1 芳纶纤维 1
1.1.1 芳纶纤维概述 1
1.1.2 芳纶纤维制备及应用 1
1.1.3 芳纶纤维结构特性与基本性能 8
1.2 芳纶纳米纤维 13
1.2.1 芳纶纳米纤维概述 13
1.2.2 芳纶纳米纤维制备 15
1.2.3 芳纶纳米纤维应用 17
1.2.4 芳纶纳米纤维未来发展面临的挑战 28
1.3 本书的学术价值与意义 30
参考文献 31
第2章 芳纶纳米纤维的制备 41
2.1 聚合分散法 42
2.2 静电纺丝法 43
2.3 高压机械磨解法 45
2.4 去质子化法 46
2.4.1 成纤过程结构演化规律 47
2.4.2 成纤机理 51
2.4.3 成纤过程中的几个关键科学问题 54
2.4.4 成纤终点定量化判断 56
2.4.5 质子化还原与结构重建 59
2.4.6 纳米纤维形态调控 62
2.4.7 干燥与储存 64
2.5 展望 66
参考文献 67
第3章 芳纶纳米纤维高效低成本制备 72
3.1 芳纶纳米纤维高效制备技术 73
3.1.1 原纤化耦合法 73
3.1.2 超声辅助法 76
3.1.3 质子供体耦合法 77
3.1.4 质子供体耦合去质子化高效成纤机理 83
3.1.5 芳纶纳米纤维规模化制备小试试验 90
3.1.6 低分子量树脂中间体一步法 92
3.1.7 球磨辅助去质子化法 93
3.1.8 醇分子插层辅助法 95
3.1.9 芳纶纳米纤维制备方法对比 99
3.2 芳纶纳米纤维低成本制备 100
3.2.1 废弃芳纶纤维纳米化回用 101
3.2.2 废弃芳纶纤维资源化利用技术对比 106
3.2.3 芳纶纳米纤维制备全链条生命周期评估 109
3.3 展望 111
参考文献 111
第4章 芳纶纳米纤维的结构、性能与组装方式 117
4.1 芳纶纳米纤维结构与性能 117
4.1.1 化学结构 117
4.1.2 结晶结构 119
4.1.3 微观形貌 120
4.1.4 溶液加工性 121
4.1.5 力学性能 125
4.1.6 热稳定性 128
4.1.7 化学稳定性与耐候性 130
4.1.8 电学性能 131
4.1.9 光学性能 132
4.1.10 表面与界面特性 133
4.1.11 与纤维素纳米纤维性能对比 133
4.2 芳纶纳米纤维组装策略 134
4.2.1 零维ANF微球 136
4.2.2 一维ANF纤维 139
4.2.3 二维ANF薄膜、纸张 140
4.2.4 三维ANF凝胶、块体材料 145
4.3 展望 149
参考文献 150
第5章 芳纶纳米纤维在电气绝缘领域的应用 159
5.1 芳纶纸基绝缘材料概述 159
5.2 芳纶纳米纤维增强芳纶绝缘纸 163
5.2.1 浆内添加与表面涂覆增强 163
5.2.2 芳纶纳米纤维膜纸复合增强 169
5.2.3 芳纶纳米纤维多尺度界面增强机理 172
5.3 新一代芳纶纳米绝缘纸 176
5.3.1 结构与性能 176
5.3.2 芳纶纳米纤维/云母绝缘纸 183
5.3.3 导热型芳纶纳米绝缘纸 185
5.4 芳纶纳米绝缘纸未来重点应用领域 188
5.5 展望 190
参考文献 191
第6章 芳纶纳米纤维在电池隔膜领域的应用 198
6.1 锂离子电池隔膜概述 198
6.2 芳纶纳米纤维隔膜的特性 203
6.3 芳纶纳米纤维涂覆隔膜 206
6.4 芳纶纳米纤维隔膜 212
6.4.1 开发形态差异化ANF 216
6.4.2 引入纳米颗粒 217
6.4.3 湿法拉伸 217
6.4.4 干燥工艺优化 217
6.5 芳纶纳米纤维复合隔膜 220
6.6 芳纶纳米纤维基固态电解质 225
6.7 展望 230
参考文献 232
第7章 芳纶纳米纤维在复合增强领域的应用 242
7.1 芳纶纳米纤维的增强机制与多尺度模拟 242
7.1.1 分子间相互作用增强机制 242
7.1.2 仿生结构设计与裂纹扩展抑制机制 245
7.1.3 有限元与分子动力学模拟 246
7.2 芳纶纳米纤维对宏观纤维材料增强应用 248
7.2.1 碳纤维 249
7.2.2 聚酰亚胺纤维 249
7.2.3 芳纶纤维 250
7.2.4 玄武岩纤维 252
7.2.5 玻璃纤维 254
7.3 芳纶纳米纤维对纳米材料增强应用 254
7.3.1 石墨烯/碳纳米管/MXene碳纳米材料 254
7.3.2 玄武岩鳞片/云母片/累托石/氮化硼纳米片 259
7.3.3 羟基磷灰石纳米线 262
7.3.4 水凝胶材料 263
7.3.5 气凝胶材料 264
7.4 展望 266
参考文献 267
第8章 芳纶纳米纤维在阻燃隔热领域中的应用 274
8.1 芳纶纳米纤维气凝胶概述 274
8.2 芳纶纳米纤维气凝胶制备 275
8.2.1 溶液-溶胶转变 276
8.2.2 溶胶-凝胶转变 277
8.2.3 水凝胶-气凝胶转变 284
8.3 芳纶纳米纤维气凝胶特性 285
8.3.1 ANF气凝胶纤维 286
8.3.2 ANF气凝胶薄膜 287
8.3.3 ANF气凝胶块体 287
8.4 芳纶纳米纤维气凝胶在阻燃隔热领域中的应用 290
8.4.1 ANF气凝胶纤维 290
8.4.2 ANF气凝胶薄膜 293
8.4.3 ANF气凝胶块体 296
8.5 展望 299
参考文献 300
第9章 芳纶纳米纤维在电磁防护领域的应用 310
9.1 ANF在电磁屏蔽领域的应用 310
9.1.1 ANF/CNT电磁屏蔽材料 311
9.1.2 ANF/MXene电磁屏蔽材料 315
9.1.3 ANF多元复合电磁屏蔽材料 320
9.2 ANF在电磁波吸收领域的应用 324
9.2.1 ANF/rGO电磁波吸收材料 327
9.2.2 ANF/MXene电磁波吸收材料 330
9.2.3 ANF/CNT电磁波吸收材料 334
9.2.4 ANF多元复合电磁波吸收材料 339
9.3 展望 342
参考文献 343
第10章 芳纶纳米纤维在柔性电子领域的应用 352
10.1 芳纶纳米基柔性传感材料 352
10.1.1 柔性应变传感器 353
10.1.2 智能防护材料 361
10.2 芳纶纳米纤维基柔性电热材料 364
10.2.1 ANF基电热材料的制备方法 365
10.2.2 ANF基电热材料的电热性能及其影响因素 367
10.2.3 ANF基电热材料的应用领域 371
10.3 芳纶纳米纤维基生物医用材料 374
10.4 展望 379
参考文献 380