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碳纳米管增强塑料仍面临技术挑战

日期:2023/04/06 09:49:02

    以色列魏茨曼(Weizmann)科学研究所的研究人员发现,将碳纳米管添加到塑料中,可以大大加强塑料的强度。这些研究人员目前正在研究如何将碳纳米管注入塑料或其他材料中,从而帮助提高复合材料的性能。

    塑料(聚甲基丙烯酸甲酯)常常用来替代玻璃,是一种不易碎的材料,比如,树脂玻璃和透明合成树脂。研究人员用单壁和多壁碳纳米管增强聚甲基丙烯酸甲酯纤维后发现,尽管这两种类型都可有效增强塑料的强度,但多壁纳米管的韧性更强,相当于几个单壁纳米管嵌套在一起。

    纳米结构的增强复合材料是未来研究的方向,目前已经逐渐开始取代微型分子复合材料。碳纳米管是一种自然的选择,因为它们异常坚韧,尤其是多壁碳纳米管可嵌套多达50个碳纳米管。虽然碳纳米管在显著提高材料强度上取得了不菲的成就,但目前在利用上还存在技术瓶颈。因为很难避免类似纳米集群的问题---一些碳纳米管随机聚合,而不是平均分布。这样一来,甚至可能降低材料的强度。

    项目负责人DanielWagner解释说:“尽管我们已经投入了大量精力,但是研究结果仍然存在矛盾之处---碳纳米管虽能作为增强剂,但怎样使碳纳米管(多壁和单壁)有序的分布的问题并没有解决。这已经成为目前发展纳米复合材料的主要挑战。静电纺丝技术是目前最为简单有效的制备有序纳米纤维的手段。”静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。在静电纺丝工艺过程中,将聚合物熔体或溶液加上高压静电,最终形成无纺布状的纳米纤维。

    Wagner和他的同事SuiXiaomeng用静电分别提取了单纯聚甲基丙烯酸甲酯纤维和碳纳米管(多壁或单壁)增强的聚甲基丙烯酸甲酯纤维进行对比分析。结果表明,嵌入纤维中的纳米管能沿着纤维轴的方向整齐的排列。单壁碳纳米管增强的复合纤维,长且粗,其韧性比复合材料大三倍。而多壁碳纳米管则排列更均匀,从而能更大程度上增强纤维的韧性。

    Wagner和Sui用自行发明的“微毫张力器”工具,测试每一根复合材料的张力,并通过电子显微镜观察拉伸过程。为了防止纤维直径对整个过程的影响,他们将样本的直径范围限定在500-750毫微米之间。实验发现,使用碳纤维纳米管增强的聚甲基丙烯酸甲酯纤维发生了“惊人”的转变。纤维在强拉力下表现的很坚韧,只会发生微小的变形,相比单纯聚甲基丙烯酸甲酯纤维的耐受性要强很多。