生产高性能碳纳米管纤维的理想条件

最近发表在《Carbon》杂志上的一项预证明 研究了由于溶液纺丝而导致的纤维形态变化，特别是束间和束内空隙。根据作者的说法，这种对纤维创造的彻底研究提供了有关高性能多用途碳纳米管（CNT）纤维合成的宝贵信息。

研究：用于检测钠离子电池中镀钠的光纤传感器。图片来源：Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com

是什么让碳纳米管脱颖而出？

碳纳米管（CNTs）由于其独特的功能组合，在传感，驱动，军事硬件，机器人系统和储能设备中的潜在用途而具有很大的吸引力。其中包括出色的电气、机械和热能力。由于其优异的弹性和低密度，碳纳米管预计将成为下一代首选纤维。

虽然有几项努力有助于认识到孤立的碳纳米管的特征是本体纤维的特征，但它们的宏观质量取决于碳纳米管束的类型、质量和互连。

图 1.（a）碳纳米管纤维的分层结构和（b）溶液纺丝单元操作的示意图。（此图的彩色版本可以在线查看。

管间相互作用对于高性能碳纳米管至关重要

从微观力学的角度来看，优化相邻碳纳米管的相互作用对于高性能碳纳米管纤维至关重要。

从材料的角度来看，碳纳米管的特征包括长宽比（L / d，其中L代表长度，d表示碳纳米管的直径）和纯度可以促进纤维中的管间连接，从而导致与纤维特性的相当大的联系。

更高的纯度可以通过管对准和管间相互作用来减少残余污染物的影响。此外，还经常注意到长宽比对纤维特性的重要性。

从力学上讲，管内摩擦是定义碳纳米管纤维拉伸强度的关键因素，较大的纵横比在碳纳米管界面处产生更强的摩擦力。制造或精炼程序会显著影响碳纳米管的质量和类型。

直接纺丝与溶液纺丝 – 哪种合成方法更好？

直接纺丝和固溶纺丝是两种广泛认可的生产高性能碳纳米管纤维的方法。

直接纺丝形成的碳纳米管纤维和片材具有优异的拉伸强度和相当长的组分纳米管（∼1 mm），但由于对准和封装密度低，电导率有限。

另一方面，通过溶液纺丝生产的纤维包含相对较短的纳米管（∼12μm），但具有很高的拉伸强度和导电性。

为了增强碳纳米管纤维的宏观特征，如纤维取向和包装，纳米管纤维的预处理和后处理是报道的一些策略。

溶液纺丝方法是一个连续复杂的过程，其中液晶（LC）溶液在喷丝头内流动，而凝结和拉伸变形发生在喷丝头外。

图 2. LC 原液的流变特性和 CNTs 的纵横比（a） DX-2、Tuball 和 XBC2340 的偏振显微镜图像，具体取决于浓度。比例尺为 100 μm。（b） 从双相到向列相的相变浓度，根据52 s时的稳定剪切粘度确定⁻¹.（c） DX-2 （0.012 vol%）、Tuball （0.035 vol%）和XBC2340 （0.03 vol%）溶液的滴落到底物流变测量中随时间演变的直径。通过毛细管变薄曲线的线性拟合提取拉伸粘度。（d） 碳纳米管（DX-2）纤维的比强度与浓度的函数关系。（e） 长径比对碳纳米管纤维比强度的依赖性。（此图的彩色版本可以在线查看。

改善碳纳米管的纤维性能

改善碳纳米管纤维特性的结构方法有很多种。CNT纤维具有分层结构，多个纳米管形成束，许多束形成CNT纤维。

因此，CNT纤维在纤维合成中产生的束间和束内界面上具有多个空隙和缺陷。所得纤维的宏观特性强烈依赖于现有缺陷的数量和大小。

因此，通过减少碳纳米管纤维中的空隙和缺陷来优化包装密度至关重要。优化纤维对准也可能是一种可行的方法，用于通过降低纤维中的空隙数量来增加管间相互作用。

图 3. 流场取决于喷嘴设计。（a） 直喷嘴和会聚喷嘴中LC掺杂物的流场示意图。（b） 初始取向系数（S0）随剪切和延伸率的变化。实验采用向列LC溶液（DX-2，0.43体积%）进行。（c） Comsol Multiphysics 的汇聚喷嘴和直喷嘴中的流动模式。（此图的彩色版本可以在线查看。

研究要点

在这项研究中，研究人员研究了每个单元溶液纺丝过程中CNT纤维的结构排列和内部空隙的发展，并将其与宏观纤维特性联系起来。

为了获得最佳的纤维质量，精确的φ_向列必须在纺丝液晶溶液时确定，此后必须在该φ_向列.

研究发现，优化对准显著减少了纤维微观结构中的束内和束间空隙。在凝固过程中，大纵横比，更高的浓度和较小的D值使得能够制造具有圆形横截面的纤维，从而进一步最大限度地减少纤维中的内部空隙。

在纤维内部空隙和纤维的宏观特征之间存在显着联系。通过增加封装密度来增强碳纳米管纤维的拉伸模量和电导率，成品版本包含最少数量的空隙缺陷（0.08 vol%）。

该纤维表现出出色的拉伸强度，热传导和结效率，显示出其作为多用途纤维的可行性，优于传统碳纤维。

源

Kim, S. G., Choi, G. M. et al. (2022). Hierarchical structure control in solution spinning for strong and multifunctional carbon nanotube fibers. Carbon. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622322003189?via%3Dihub