由凝胶静电纺丝工艺生产的超细纤维

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种能够生产超细纤维的工艺,其直径以纳米或十亿分之一米为单位,坚实而坚韧。这些纤维应该便宜且易于生产,可以作为许多应用的选择材料,例如防护装甲和纳米复合材料。

由凝胶静电纺丝工艺生产的超细纤维-CompositesPlus

麻省理工学院化学工程教授Gregory Rutledge和博士后Jay Park在一篇论文中描述了这个新工艺 – 凝胶静电纺丝。该论文将在网上公布,并将在2月份的“材料科学杂志”上发表。

在材料科学中,Rutledge解释说,“存在很多折衷”。通常情况下,研究人员可以提高材料的一个特性,但是会看到不同特性的下降。

“强度和韧性是这样的一对:通常当你得到高强度,你会失去韧性的东西,”他说。“材料变得更脆,因此没有吸收能量的机制,而且容易断裂。”
但是在新工艺制造的纤维中,许多这种折衷被消除了。

Rutledge说:“获得高强度和高韧性材料是一件大事。
这个过程就是这种情况,它使用了一种称为凝胶纺纱的传统方法,但增加了电力。其结果是聚乙烯超细纤维匹配或超过一些最强的纤维材料,如凯夫拉尔和迪尼玛,用于包括防弹衣的应用性能。

Rutledge说:“我们首先的任务是制造不同尺寸范围的纤维,即小于1微米(百万分之一米)的纤维,因为这些纤维本身具有各种有趣的特征。“我们已经看了很多年,这种超细纤维,有时被称为纳米纤维。但是在所谓的高性能光纤范围内没有任何东西。“
包括芳族聚酰胺(如凯夫拉尔(Kevlar))和高分子量聚乙烯(如Dyneema和Spectra)等高性能纤维也被用于极端用途的绳索以及某些高性能复合材料中的增强纤维。

Rutledge说:“在这个领域里,很多年来都没有发生过很多新的事情,因为它们在机械领域的表现非常出色。但他说这种新材料超过了所有其他材料。“真正将这两者区别开来的是我们所说的比模量和比强度,这意味着它们在重量的基础上比一切都好。”
模量是指纤维有多硬,或者有多少抗拉伸。

与在复合材料中广泛使用的碳纤维和陶瓷纤维相比,新型凝胶 – 电纺聚乙烯纤维具有相似的强度,但是更坚韧而且密度更低。这意味着,磅英镑,他们大大优于标准材料,拉特利奇说。

在创造这种超细材料时,团队的目标只是为了与现有的微纤维的性能相匹配,“这表明这对我们来说是一个不错的成就,”Rutledge说。事实上,材料在很大程度上变得更好。他说,虽然测试材料的模量不如现有的最好的纤维好,但它们相当接近 – 足以“具有竞争力”。

他补充说,最重要的是,“这些优势大约比商业材料好两倍,并与最好的学术材料相媲美。他们的韧性要好一个数量级。“
研究人员仍然在调查这个令人印象深刻的表现。“这似乎是我们收到的礼物,随着纤维尺寸的减少,我们并不期待,”Rutledge说。

他解释说:“大多数塑料都很硬,但是它们不像我们所得到的那么坚硬和坚固。”玻璃纤维很硬但不是很坚固,而钢丝坚固而不是很坚硬。新型凝胶 – 电纺纤维似乎以几乎相等的方式结合了强度,刚度和韧性的理想品质。

使用凝胶静电纺丝工艺“与我们所采用的材料方面的常规[凝胶纺丝]工艺本质上非常相似,但是因为我们正在使用电力”并且使用单级工艺而不是多级他说,在传统工艺中,“我们正在获得更高度拉伸的纤维”,直径为几百纳米,而不是典型的15微米。研究人员的过程结合了使用聚合物凝胶作为起始材料,如凝胶纺丝纤维,但使用电力而不是机械牵引将纤维拉出; 带电纤维引起产生其超细尺寸的“鞭打”不稳定过程。事实证明,这些狭窄的尺寸导致了纤维的独特性质。

这些结果可能会导致保护材料,如现有的强大,但体积较小,使其更实用。而且,Rutledge补充说,“他们可能有我们还没有想过的应用程序,因为我们刚才已经知道他们有这样的韧性。”

这项研究得到了美国陆军通过纳蒂克士兵研究,发展和工程中心,士兵纳米技术研究所和国家科学基金会材料科学与工程中心的支持。

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