采用凝胶静电纺丝工艺制备超细纤维

  • 发布:2018/12/5 10:40:07
  • 来源:PT现代塑料

美国麻省理工学院的研究人员开发了一种能够制备超细纤维的工艺,这些纤维的直径以纳米计量,只有十亿分之一米,但非常强韧。

这些既便宜又易于生产的纤维,可以成为许多应用的选择材料,如防护装甲和纳米复合材料。

麻省理工学院化学工程教授Gregory Rutledge和博士后Jay Park在一篇论文中对这种被称作“凝胶静电纺丝”的新工艺作了介绍。这篇论文可在线阅读,并将发表在《材料科学》杂志2月刊中。

Rutledge解释说,在材料科学中有很多取舍,研究者们通常在提高材料一种性能的同时,会看到另一种性能的降低。

“强度和韧性就是这样一对矛盾体:通常,当你获得了高强度,就会在韧性上有所损失。”他解释说,“材料变得越脆,就越发丧失了吸能机制,而且易于断裂。”

但是,采用这项新工艺制成的纤维,则在很大程度上避免了这些取舍。能够获得一种强度和韧性都极高的材料,这是非常重要的。

这项工艺是对被称作“凝胶纺丝”的传统方法的一种变异,它增加了电力,结果获得了超细的聚乙烯纤维,其性能可与一些用来生产盔甲以阻止子弹的最强大的纤维如Kevlar和Dyneema相媲美,或者还超越于它们。

“我们最开始的任务是制造拥有不同尺寸范围(即尺寸不到1µm)的纤维,因为它们能以自有的能力而具备各种有趣的功能。”Rutledge说道,“而且许多年来,我们已经看到了这样一种超细纤维,它们有时被称作‘纳米纤维’,但是,在所谓的‘高性能纤维’范围中,却没有什么。”

高性能纤维,包括芳纶纤维如Kevlar,以及像Dyneema和Spectra一样的凝胶纺丝聚乙烯,也可用于制造满足极端应用需求的绳索,以及作为增强材料而用于一些高性能的复合材料中。

“许多年来,这一领域一直没有全新的变化,因为已有一些非常出色的纤维达到了顶级的力学性能。”Rutledge介绍说,但是,这种新材料却超越了所有其他的材料。“真正让此与众不同的是我们所说的比模量和比强度,这意味着在每一单位重量的基础上它们超越了所有。”

模量是指纤维的刚性如何,或者能够被拉伸到怎样的程度。

与广泛应用于复合材料的碳纤维和陶瓷纤维相比,这种新的凝胶静电纺丝聚乙烯纤维拥有类似的强度,但更加坚韧并拥有更低的密度,这意味着在同样重量的情况下,它们大幅超越了标准材料。

在创造这种超细材料的过程中,该团队的目标只是为了与现有的微细纤维的性能相媲美。“所以,对于我们而言,这是一项不错的成就。”Rutledge说,“实际上,这种材料原来在一些重要方面是更好的。虽然测试材料所拥有的模量并不是与现有最好的纤维一样好,但却相当接近,足以形成竞争。”

重要的是,他补充道:“在比商用材料更好的两个因素中,强度是其中的一个,而且可与目前最好的学术材料相媲美,同时它们的韧性要高大约一个数量级。”

这些研究人员还在研究是什么导致了这种令人印象深刻的表现。“这似乎是我们收到的一点礼物:纤维的尺寸减小了,而这是我们没有预料到的。”Rutledge说道。

他解释说:“虽然大多数的塑料是坚韧的,但它们的刚性和强度却不如我们所获得的。”

玻璃纤维是刚性的但不是很强,钢丝很强但不是很硬,而这种新的凝胶静电纺丝纤维却无可比拟,似乎综合了理想的强度、刚性和韧性品质。

“就我们所带来的材料而言,所采用的这种凝胶静电纺丝工艺本质上非常类似于传统的‘凝胶纺丝’工艺,但由于我们采用了电力,而且采用的是单一步骤的工艺而非多个步骤的传统工艺,因此我们获得的纤维可以得到更大程度的拉伸,这些纤维直径只有几百纳米而非典型的15µm。”他介绍说。

这些研究者所采用的工艺结合使用了一种聚合物凝胶作为初始材料,如在凝胶纺丝纤维中,但拉出纤维采用的却是电力而不是机械拉力。

这些带电纤维引发了不稳定的“抽打”过程,由此而形成了它们的超细尺寸。结果,那些狭小的尺寸带来了纤维的独特性能。

这些结果可能导致防护材料的产生,它们与现有的防护材料一样强大但却不笨重, 因而更实用。

Rutledge补充说:“它们可能拥有一些我们至今还没有想到的应用,因为我们现在才知道,它们具备这样的韧性等级。”

通过美国纳提克士兵研究、发展和工程中心以及士兵纳米技术研究所,这项研究得到了美国陆军的支持,同时还得到了美国国家科学基金会材料科学与工程中心的支持。

关键词:

凝胶静电纺丝工艺,超细纤维

[责任编辑:张赞丽]

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