通常,“手工”和“高科技”往往不會出現(xiàn)在同一個句子里,但它們卻能夠同時應用于利用碳納米管制備纖維的新方法中。該方法由美國萊斯大學(Rice University)的化學家Matteo Pasquali發(fā)明,能夠在1h內用塊狀的碳納米管樣品制備出長度較短但強度較高的導電纖維。
該項工作是對Pasquali于2013年開發(fā)的碳納米管紡絲成纖方法的進一步補充和完善。該纖維貌似棉纖維,卻具有類似于金屬絲和碳纖維的出眾性能,能夠應用于航空航天、汽車制造、醫(yī)療和智能服裝等應用領域。原方法僅需要幾克材料,但要通過幾周的努力才能獲得優(yōu)化的工藝,并紡制出連續(xù)纖維。新方法縮短了纖維尺寸和工藝時間,但卻需要更多的手工操作。
在Advanced Materials上最新發(fā)表的一篇文章中,Pasquali和研究生Robby Headrick報道了這種通過取向、加捻獲得頭發(fā)狀碳納米管纖維的簡單方法。首先,Headrick制備出碳納米管薄膜,在酸性溶液中溶解少量碳納米管后,他將溶液置于兩個載玻片之間。迅速錯開兩片載玻片,在剪切力的作用下,溶液中的數(shù)十億根碳納米管就會形成整齊的陣列。等到載玻片上形成薄膜,就可以將部分薄膜剝離下來捻成纖維。
Headrick介紹說:“當我進行剝離操作的時候,薄膜處于凝膠狀態(tài),這對獲得完全致密的纖維尤為重要。在加捻過程中,纖維的橫截面上仍有溶液存在,是‘濕’的;隨后對纖維進行干燥處理時,纖維會在毛細管壓力作用下變得致密、緊實。干燥狀態(tài)的碳納米管纖維長約7cm,其導電性能與原方法制備的紡制長纖維相當。同時,這些纖維更加致密,其拉伸強度可達3.5GPa,好于紡制長纖維。研究者預計,當碳納米管纖維的長度達到單根碳納米管管徑的5萬到7萬倍時,其拉伸強度可達35~40GPa,與單根碳納米管的強度相當。
Headrick還說:“目前,我們可以對所有種類的碳納米管進行相同的操作,并獲得最佳的纖維結構和性能。”Pasquali 表示,該操作過程獲得的碳納米管纖維再現(xiàn)了典型紡織纖維的高取向度和高致密度,雖然長度不長,但卻足以進行強度和導電性測試。目前,該方法被用于實驗室中新材料的快速制備,為工程放大建立了性能目標。這使得人們可以提前知曉材料具有怎樣的性能,而不像以前只能推斷。這對于碳納米管生產(chǎn)者尤為重要,他們可以根據(jù)快速實驗反饋來調整反應條件、進行質量控制或測試不同種類樣品的性能。
論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704482/full
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