MIT： 超細(xì)超強(qiáng)纖維

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)出一種新的可用于制備具有極高強(qiáng)度和韌性的超細(xì)纖維的技術(shù)。所得纖維是一種可用于防彈頭盔和納米復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域的理想材料，同時(shí)還具有價(jià)格低廉、易于生產(chǎn)的特點(diǎn)。

MIT化學(xué)工程系教授Gregory Rutledge和博士后Jay Park在其論文中將這種新技術(shù)命名為“凍膠靜電紡絲”，該論文已在《Journal of Materials Science》的二月版上發(fā)表。

Rutledge教授認(rèn)為，在材料科學(xué)領(lǐng)域，材料具有許多優(yōu)缺點(diǎn)，需要權(quán)衡。最典型的表現(xiàn)是，研究人員在提高材料某種性能時(shí)，這種材料的其他某些性能可能會(huì)有所下降。他指出強(qiáng)度和韌性就是這樣的一對(duì)矛盾體。通常研究者制備高強(qiáng)材料時(shí)，有可能損失了這種材料的韌性。材料脆性的增加使得其吸收的沖擊能下降，進(jìn)而材料更容易產(chǎn)生斷裂。但采用上述新技術(shù)制備纖維，不存在這種性能權(quán)衡取舍的現(xiàn)象。

Rutledge教授表示，制得同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性的材料是件不容易的事。而采用這種新方法可以實(shí)現(xiàn)，該方法是在傳統(tǒng)的凍膠紡絲技術(shù)基礎(chǔ)上，施加以電壓，制備超細(xì)聚乙烯纖維。所得纖維性能超過(guò)目前一些用于防彈衣和防彈頭盔的、強(qiáng)度最高的纖維(如Kevlar 和Dyneema)，或與之相媲美。

左：對(duì)注射器加熱，并擠出紡絲溶液；右：紡絲腔體，細(xì)流在電場(chǎng)力作用下被拉伸成超細(xì)的聚乙烯纖維圖1 纖維制備裝置(資料來(lái)源：研究人員供圖)

圖2 MIT研究組制備的新型超細(xì)纖維的SEM圖

Rutledge教授等最開始致力于制備直徑為1 μm以下的各種尺寸的纖維，因?yàn)檫@種尺寸的纖維本身就具有各種有趣的特性。他們已經(jīng)關(guān)注這種超細(xì)纖維(或稱為納米纖維)很多年，但仍不能稱其為高性能纖維。真正意義上的高性能纖維指的是，芳香族聚酰胺纖維(如Kevlar)以及凍膠紡絲聚乙烯纖維(如Dyneema和Spectra)，這些高性能纖維可用于制備極端環(huán)境下使用的繩索以及用于高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維。

Rutledge教授認(rèn)為，多年來(lái)，高力學(xué)性能領(lǐng)域并沒有太多的新變化，這主要是在高力學(xué)性能領(lǐng)域里有很多性能優(yōu)異的纖維，但這種新材料的性能超越了其他所有材料，真正讓這些新材料與眾不同的是其超高的比強(qiáng)度和比模量，這意味著在一定質(zhì)量的前提下，它們優(yōu)異的性能可超過(guò)其他一切材料。

與廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的碳纖維和陶瓷纖維相比，這種新的凍膠靜電紡絲聚乙烯纖維擁有同等強(qiáng)度、更高的韌性和更低的密度。這意味著在同等質(zhì)量下，它們?cè)诤艽蟪潭壬铣^(guò)了標(biāo)準(zhǔn)材料。

在制備這種超細(xì)纖維的過(guò)程中，研究小組最初的目標(biāo)是制備出與現(xiàn)有超細(xì)纖維性能相媲美的纖維，Rutledge教授指出，研究結(jié)果證明他們出色地完成了目標(biāo)。事實(shí)上，這種材料在很多方面具有更加優(yōu)異的性能。盡管該纖維測(cè)得的模量不如現(xiàn)有最好的纖維，但其值已非常接近，足以與現(xiàn)有纖維相競(jìng)爭(zhēng)。更關(guān)鍵的是，該纖維強(qiáng)度約為現(xiàn)有商、工業(yè)化材料的兩倍，同時(shí)其韌性要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，超過(guò)實(shí)驗(yàn)室制得的其他所有材料。

研究人員仍然在探索使該纖維具有如此令人矚目的高性能的原因。Rutledge教授表示，隨著纖維尺寸的減小，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他們的預(yù)期，這是給予他們的禮物。

他認(rèn)為，大多數(shù)樹脂都具有很好的韌性，但它們的剛性和強(qiáng)度都不如這種凍膠凝電紡絲纖維。玻璃纖維剛度較高但強(qiáng)度并不是很高，鋼絲強(qiáng)度較高但剛度不夠。新的凍膠靜電紡絲纖維具有理想的強(qiáng)度、剛度和韌性，目前幾乎沒有其他纖維可以與之匹敵。

新的凍膠靜電紡絲工藝所使用的材料與傳統(tǒng)的(凍膠紡絲)工藝非常類似，但Rutledge等引入了電場(chǎng)，該工藝是一步法制備工藝，而非傳統(tǒng)的多步法工藝。由此得到了更高拉伸倍數(shù)的纖維，制得纖維的直徑為幾百納米，而非傳統(tǒng)工藝的15 μm。研究人員將聚合物凍膠作為原材料，這與凍膠紡絲相同，但該工藝使用電場(chǎng)力而非機(jī)械力拉伸纖維。帶電射流產(chǎn)生不穩(wěn)定的“鞭打”使絲維尺寸處于極細(xì)范圍，從而賦予纖維獨(dú)特的性能。

這些結(jié)果可使防護(hù)材料實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有材料強(qiáng)度相同而體積更小，從而更便于實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，Rutledge教授稱，這種工藝制備的材料還能可在其他領(lǐng)域使用，他們目前僅認(rèn)識(shí)到該材料的韌性優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)陸軍納蒂克士兵研究開發(fā)與工程中心、士兵納米技術(shù)研究所和美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)材料科學(xué)與工程中心的支持。

采用凍膠靜電紡絲技術(shù)，首次制備出性能優(yōu)異、直徑小于1 μm的具有較高剛度、強(qiáng)度和韌性的超細(xì)聚乙烯纖維。在紡絲工藝中，選擇合適的溶液濃度和工藝溫度，從而在噴射過(guò)程中形成凍膠纖維。由于“不穩(wěn)定鞭打”使纖維受到高速拉伸，從而制得亞微米級(jí)的纖維，所得纖維楊氏模量平均值為(73±13) GPa，屈服強(qiáng)度為(3.5±0.6) GPa，韌性為(1.8±0.3) GPa。測(cè)試表明，直徑最小為(490±50) nm的纖維，其楊氏模量達(dá)到(110±16) GPa，斷裂強(qiáng)度達(dá)(6.3±0.9) GPa，韌性達(dá)(2.1±0.3) GPa，這種力學(xué)性能組合迄今為止聚合物纖維中無(wú)與倫比的。纖維的高剛性、高強(qiáng)度及高韌性與纖維直徑的關(guān)系，主要?dú)w因于其較高的結(jié)晶度和取向度，以及小直徑和高比表面積賦予纖維以低缺陷和較強(qiáng)的分子間滑移。凍膠靜電紡絲技術(shù)可制備高性能纖維，具有一定的規(guī)模化生產(chǎn)前景。