羥基磷灰石亞納米/聚酰亞胺複合材料

為了提升材料的力學性能或者賦予材料一些功能化的性能 ，通常會將一些無機材料 ，如陶瓷材料和金屬納米顆粒材料 ，分散於有機聚合物材料中 ，以滿足材料性能的需求 。現如今 ，已經有形形色色的複合材料被研發出來用於方方麵麵 ，從隱身戰機的吸波塗層（羰基鐵和聚合物的複合材料）到遊湖小船所用的玻璃纖維增強複材料 。然而 ，無機材料和有機材料之間往往在性質上有很大的差異 ，尤其是對光的折射率 ，這也就導致了二者混合的複合材料不可能具備優良的透光性能 ，因此也限製了複合材料的應用範圍 。

近期 ，清華大學王訓教授團隊製備出了一種透明的羥基磷灰石-聚酰亞胺複合材料 。他們利用一種溶劑熱方法來合成羥基磷灰石亞納米纖維 ，這種羥基磷灰石亞納米纖維在尺寸上與聚酰亞胺分子鏈相似 ，有利於形成均勻結構納米複合材料 。與普通的聚酰亞胺凝膠相比 ，羥基磷灰石亞納米纖維-聚酰亞胺複合凝膠在粘度上增加了兩個數量級 ，且其模量同時增加了一個數量級以上 。聚合物鏈和亞納米纖維之間的相互作用使形成具有剪切減薄特性的粘彈性網絡 。此外 ，使用羥基磷灰石亞納米纖維-聚酰亞胺複合凝膠製作的薄膜擁有高透明度 ，所有比例的透明度均在85%以上 。同時 ，由於羥基磷灰石亞納米纖維的加入 ，可以通過調節羥基磷灰石亞納米纖維薄膜的霧度 ，霧度值最大可達85%左右 。在這個網絡中 ，羥基磷灰石亞納米纖維加強了聚合物鏈之間的鍵合 ，從而提高了複合材料薄膜的楊氏模量 。這種組合提高了納米複合材料的力學性能 ，同時保持並賦予了優良的光學性能 。該工作以題為“Regulating the Mechanical and Optical Properties of Polymer based Nanocomposites by Sub-Nanowires”的文章發表於 Angewandte Chemie上 。

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羥基磷灰石亞納米纖維增強複合材料的力學性能

亞納米纖維是指一種直徑小於1 nm 、接近聚合物鏈直徑的納米線 。當納米結構的尺寸降至低於1納米的尺度時，亞納米纖維表麵原子比接近100% ，因此 ，聚合物和亞納米纖維之間的相互作用將大大增強 ，通過這種分子層麵的強相互作用 ，亞納米纖維與聚合物分子鏈可以形成三維網絡和凝膠 ，極大地提高聚合物的力學性能 。羥基磷灰石亞納米纖維主要由鈣 、磷和氧組成 ，其直徑約為1.2 nm ，並且可以均勻地分散在溶劑中 ，並具備丁達爾效應 。

羥基磷灰石亞納米纖維與聚合物由於配位作用可以交聯形成三維網絡 。隨著羥基磷灰石亞納米纖維含量的增加 ，凝膠變得越來越粘稠 ，其表現出剪切變薄的特性 ，表明其具有非牛頓流體行為 。透射電鏡圖像顯示了凝膠的形態 。羥基磷灰石亞納米纖維在聚酰亞胺中均勻分散並且隨機取向 。由於羥基磷灰石亞納米纖維的加入會引起了凝膠的霧化 。在攪拌30天後 ，HSP-凝膠與其原始外觀相比會變得清晰和透明，這是羥基磷灰石亞納米纖維定向取向的結果 。

隨著羥基磷灰石亞納米纖維含量的增加 ，複合薄膜的楊氏模量顯著增加。HSP-5薄膜的模量可達到2.65±0.10 GPa ，遠遠優於純聚酰亞胺薄膜（1.90±0.12 GPa） 。雖然加入羥基磷灰石亞納米纖維可以提高複合薄膜的楊氏模量 ，但其抗拉強度幾乎沒有任何改善 ，基本保持在120 MPa 。經過拉伸試驗後 ，HSP-5薄膜中羥基磷灰石亞納米纖維的形貌和結構不會被破壞 ，這種機械性能的改進可以用羥基磷灰石亞納米纖維和聚酰亞胺之間的相互作用來解釋 。

複合薄膜在可見光區域表現出較高的透明度 ，由於其透光率均勻連續 ，超過85% 。亞納米線和聚合物鏈由於在尺寸上的相似 ，因此兩種材料具有相似的透光率 ，導致複合薄膜的高透明度 。HAPsnw同時可以實現漫射光 ，使得複合薄膜呈現霧狀 。通過調整HAPsnw的含量 ，可以控製薄膜的霧度 ，最大值可達到85%左右 。並且 ，這種材料可與塗敷在多種基底上 ，實現透光和霧度的調控 。

小結 ：該工作成功合成了超細和超長的羥基磷灰石亞納米纖維 。采用簡單的策略製備了羥基磷灰石亞納米纖維-聚酰亞胺的凝膠和薄膜 。加入磷灰石亞納米纖維後 ，複合凝膠的粘度和模量均有顯著提高 。同時 ，形成的複合薄膜保持了較高的透明度 ，其霧度可以被調節 。該複合薄膜同時表現出增強的楊氏模量。由於這些性質上的增強，這種複合材料可以在工程材料和高性能的光學器件上有更多的潛在應用 。

文章來源 ：清華大學王訓教授 Angew ：羥基磷灰石亞納米/聚酰亞胺複合材料 (qq.com)