《Applied Surface Science》：Enhancing the insulation performance of aramid fiber epoxy resin by constructing a polar-nanofibrillation structure on the fiber surface
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Aramid纤维经纳米纤化处理并引入极性基团可显著提升环氧树脂复合材料的绝缘性能，其中氨基、甲基和氟基团分别通过增强界面结合和电荷控制机制提高闪络电压58.01%和击穿场强56.52%。
郭伟霞|谢军|陈启强|王启凯|胡成明|张兆华|谢青
中国华北电力大学可再生能源替代电力系统国家重点实验室，北京102206
摘要
芳纶纤维作为一种新一代合成纤维材料，具有优异的绝缘和机械性能，广泛应用于高压电力传输和变换设备中。然而，其表面光滑且化学反应性低的问题严重限制了其与聚合物的结合，降低了绝缘装置的耐电压性能。因此，本文提出利用纳米纤维化处理获得的芳纶纳米纤维（ANFs）来调节芳纶纤维的表面粗糙度。同时，在脱质子过程中引入极性官能团，成功在芳纶纤维表面构建了极性纳米纤维结构，进一步调节了纤维表面的极性。通过绝缘性能测试和分子动力学模拟，揭示了极性官能团类型对芳纶纤维-环氧树脂复合材料绝缘性能的影响。结果表明，改性后的AFEP材料的闪络电压提高了58.01%，击穿场强提高了56.52%。分析表明，不同的极性处理方式对提高绝缘性能的机制不同：氨基官能团通过增强芳纶纤维与环氧树脂之间的界面结合起作用，而含氟官能团则提高了材料控制电荷分布的能力。
引言
芳纶纤维是一种酰胺基团直接连接到苯环上的合成纤维。其分子链中含有大量苯环，酰胺基团之间可以形成氢键，这显著限制了分子链的运动。这种强烈的空间位阻效应使芳纶纤维具有优异的绝缘和机械性能[1]、[2]。因此，芳纶纤维在高压传输和变换设备的绝缘应用中具有广阔前景，例如绝缘拉杆。在这些工作条件下，芳纶纤维增强环氧树脂会受到较高的电场作用。纤维-树脂复合材料的性能依赖于稳定的界面。然而，芳纶纤维的高结晶度导致其表面光滑、化学反应性低且惰性大[3]、[4]，这影响了其与环氧树脂等聚合物的结合，导致界面缺陷。在高电场强度下，这些缺陷会进一步发展，最终导致绝缘失效[5]、[6]。
目前，为了有效消除芳纶纤维的这些缺陷，复合材料的界面优化已成为主要研究方向。主要通过两种方法实现：“粗糙化纤维表面”和“活化表面活性”。其中，纤维表面的粗糙化通常采用物理涂层[7]、等离子体处理[8]和酸碱蚀刻[9]等方法，这些方法可以改变纤维的表面形态，增加与环氧树脂等聚合物的物理结合位点，从而提高绝缘性能。而表面活性的活化则通过配位反应[10]、活性基团接枝[11]和直接氟化/氧化[12]等方法实现，目的是在纤维表面增加极性基团，调节表面化学活性，从而提高与树脂的相容性。然而，仅通过粗糙化纤维表面或活化表面活性来有效提高纤维环氧树脂材料的绝缘性能仍存在诸多限制。例如，粗糙化纤维表面通常是通过增强界面结合强度间接提高绝缘性能的；而活化表面活性虽然提高了纤维的表面活性，但也可能对芳纶纤维的固有性质产生破坏性影响，增加其内部缺陷，从而阻碍材料性能的全面提升。因此，为了有效提升芳纶纤维-环氧树脂材料的综合性能，结合使用“粗糙化”和“活化”方法已成为新的研究重点。
芳纶纳米纤维（ANFs）是一种具有一维纳米聚合物特性的材料，结合了宏观芳纶纤维和微观聚合物纳米纤维的优点，广泛应用于纤维增强复合材料[13]、[14]。此外，常见的纳米填料改性技术也可应用于ANFs，以增强其功能特性，使其成为结合粗糙化和活化方法的关键材料。目前，ANFs主要通过芳纶纤维的纳米纤维化过程制备，主要技术包括静电纺丝、聚合诱导自组装、高压机械研磨和脱质子化[15]、[16]、[17]。其中，脱质子化法制备的ANFs具有更均匀的直径和尺寸分布，分散性和稳定性更好。Kotov等人提出了一种基于DMSO/KOH系统的可控脱质子化方法，但该方法耗时7天，ANF的浓度较低，生产成本较高[18]。最新研究将制备时间从传统的7天缩短至4小时[19]、[20]。该方法利用强碱性环境使芳纶纤维中的酰胺基团脱氢，生成带负电的芳纶纳米纤维。这些带负电的分子可以破坏原始分子链间的氢键，使芳纶纤维分裂成纳米级的纳米纤维。所得ANFs保留了原始纤维的优异机械性能、绝缘性能和热稳定性，并具有独特的纳米级结构、较大的长径比和较高的比表面积[21]、[22]。目前，ANFs广泛应用于纤维增强环氧树脂复合材料，但极性接枝对复合材料绝缘性能的影响机制尚不明确。
总之，本研究采用基于环氧的硅烷偶联剂促进芳纶纳米纤维（ANFs）的环开反应，成功将氨基（NH2）、甲基（CH3）和氟（F3）等有机极性官能团接枝到ANFs的主链上。同时，利用多巴胺（PDA）提供的二次反应平台和超声辅助沉积技术，将ANFs有效沉积到芳纶纤维表面，成功构建了极性纳米纤维结构。通过制备芳纶纤维增强环氧树脂复合材料，研究了不同极性官能团对复合材料闪络和击穿特性的影响，并结合分子动力学模拟，揭示了极性纳米纤维结构如何增强芳纶纤维表面极性和AFEP材料的绝缘性能。
主要材料
对位芳纶纤维织物和对位短切芳纶纤维均购自杜邦公司。其中，芳纶纤维为平纹织造，重量为200克/平方米。短切纤维的长度为3毫米，用于制备芳纶纳米纤维（ANFs）溶液。环氧树脂采用双酚A型环氧树脂E51（DGEBA），甲基四氢邻苯二甲酸酐（MTHPA）作为固化剂，2,4,6-三（二甲氨基甲基酚）（DMP-30）作为促进剂。
纳米纤维化与纤维表面形态
对制备的纳米纤维化材料ANFs溶液进行了表征，并比较了极性处理前后的微观结构变化。TEM测试结果如图3所示。从图3(a)可以看出，ANFs在DMSO溶液中呈现纳米线结构，这些纳米线相互连接并堆叠形成网络结构。当向ANFs/DMSO体系中加入KH560后，ANFs纳米纤维上开始出现“斑点”，如图3(b)中的黑点所示。
结论
基于环氧基团的环开反应、硅烷偶联剂的聚合反应以及PDA的二次反应平台效应，本文在芳纶纤维表面成功构建了极性纳米纤维结构（ANFs）。研究了不同极性官能团对AFEP绝缘性能的影响，并通过分子动力学模拟揭示了绝缘性能提升的机制。
TEM测试结果
作者贡献声明
郭伟霞：撰写——原始稿件、软件开发、方法设计、实验设计、数据分析、概念构思。谢军：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法设计、资金申请。陈启强：撰写——审稿与编辑、软件应用。王启凯：撰写——审稿与编辑、软件应用。胡成明：撰写——审稿与编辑、软件应用。张兆华：撰写——审稿与编辑、软件应用。谢青：撰写——审稿与
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52477143和52277147）和河北省自然科学基金（项目编号E2025502054）以及河北省研究生创新资助项目（项目编号CXZZBS2026153）的财政支持。
