高分子科学前沿10月23日讯：芳纶具有优异的力学性能、良好的化学稳定性及热学电学稳定性。近年来，芳纶纳米纤维逐渐受到关注，因其易加工性，可用于制备新型复合材料，应用于可穿戴电子设备、电池隔膜、电极材料、电磁屏蔽和海水淡化等领域。芳纶纳纤复合材料形态多样，涵盖纤维、膜和块体，芳纶作为高分子组分在复合材料中主要起到力学支撑、助分散剂、粘合剂、提高材料理化稳定性等作用。然而，目前芳纶纳米纤维的制备主要通过芳纶纤维自上而下的化学剥离法，需要数小时甚至数天才能完成制备。此外，所得芳纶纳米纤维的宏观组装体的力学性能（~0.2 GPa）远低于酸法纺丝的芳纶纤维（~3 GPa）。

清华大学张莹莹课题组发展了通过有机合成自下而上制备的芳纶纳米纤维的方法，可在0.5 h内大量制备了芳纶纳米纤维；并进一步利用通常用于制备水凝胶材料的循环冻融法制备了超强超韧的芳纶纳米纤维复合膜。所得的芳纶纳米纤维复合膜抗拉强度高达854.6 MPa，韧性为106.2 MJ·m⁻³，且在300 °C热处理后仍能保持良好的力学性能。该工作为高效率规模化制备芳纶纳纤和调控芳纶纳纤复合材料的内部非共价作用提供了重要参考。

该工作选择六甲基磷酰胺（HMPA）与N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为混合反应溶剂，通过缩合反应获得高浓度（3 wt%）均相对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）溶液。在反应体系中，氯化锂和HMPA竞争占据聚合物的氢键位点，抑制了聚合物自组装，缓解了析出趋势。将PPTA与氧化石墨烯（GO）纳米片和聚乙烯醇（PVA）胶束混合，形成复合材料。除盐后，PPTA链自组装形成3-7 nm的芳纶纳纤（PNF）。有机分散液经过溶液-凝胶-薄膜转化，最终形成芳纶纳纤-氧化石墨烯-聚乙烯醇固体复合膜（PGP）。先前的研究证明了GO和PVA对芳纶纳纤膜的良好界面和拓扑增强效果（Mater. Horiz., 2023,10, 4626-4634），而此处的循环冻融和拉伸干燥方法进一步强化了组分间的氢键和物理缠结等非共价相互作用，进一步提高了复合纤维膜的力学性能。

图 1超强超韧芳纶纳纤复合膜的制备策略。（a）复合膜的设计策略和制备过程。（b）半透明PGP水凝胶。（c）用复合膜折叠的纸飞机。（d）复合膜（10 mg）在用成膜液修复后可以恢复其承重能力（1 kg）。（比例尺：1 cm）（e）复合膜上可印刷碳基电路。

该复合膜结构致密，结果表明，薄膜在拉伸断裂后呈现明显的分层断裂结构，可观察到沿拉伸方向拔出的纳米纤维，表明在损伤发生时，该结构可有效引导裂纹纵向扩展并耗散能量；氧化石墨烯的引入使得表面裂纹产生更多子裂纹而耗散能量。循环冻融和拉伸干燥过程使得复合膜的强度和韧性与纯芳纶纳纤膜相比分别提高了503%和1585%。复合膜的比强度-比刚度可与陶瓷相媲美，同时实现了强度和韧性间良好的平衡，超越了大多数天然和合成薄膜。

该研究以题为“Cross-Scale Interface Engineering for Fabricating Super-Strong and Super-Tough Aramid Nanofiber Film”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者是清华大学化学系博士生金炯克。本工作得到了国家自然科学基金、北京市科委和北京市自然科学基金项目的资助。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号