高性能碳纳米管纤维的未来：湿法纺丝技术的突破与机遇！︱NSR综述

随着科技的不断发展，对于高性能材料的需求愈发迫切和多样化。碳纳米管（CNTs）因其优异的力学、电学和热学性能，被广泛认为是下一代高性能纤维材料的理想候选。然而，要将纳米级的材料转化为可实际应用的宏观纤维，仍需要克服许多技术难题。近年来，湿法纺丝技术被视为实现碳纳米管纤维批量生产的最有前景的纤维制备方法。北京大学张锦院士团队详细论述了湿纺碳纳米管纤维技术路线、湿纺机制机理以及未来机遇。

该工作以“Wet-spinning of carbon nanotube fibers: dispersion, processing and properties”为题发表在《国家科学评论》（National Science Review，NSR），该文将收录于NSR“功能与智能纤维”专题。上海工程技术大学杨志诚与北京大学杨祎楠为文章共同第一作者。

论文首先回顾了过去二十年湿纺碳纳米管纤维的发展历程（图1）。从碳纳米管纤维首次通过湿法技术制备以来，经历了表面活性剂、生物质分子、超强质子酸等多种分散体系，纤维的纺丝及后处理工艺也在不断优化。论文涵盖了碳纳米管纤维湿纺整体技术路线，碳纳米管分散机理，纤维凝固过程，以及后处理工艺。

图1. 湿法纺丝碳纳米管纤维的发展历程。

湿法纺丝工艺碳纳米管纤维结构演变

图2展示了制备碳纳米管纤维的湿法纺丝过程以及纤维结构演变过程。碳纳米管纤维的结构与性能主要取决于以下五个关键因素：（Ⅰ）CNTs纺丝液的均匀性；（Ⅱ）纺丝液的流变特性与挤出行为；（Ⅲ) CNTFs的凝固过程；后处理过程，如（Ⅳ）多级牵伸和（Ⅴ）热处理工艺。在这些过程中，动力学和热力学过程决定了碳纳米管纤维的多级结构变化，包括致密度、取向甚至结晶度，最终影响纤维力学强度、断裂韧性、电导率和热导率等性能。

图2. 湿法纺丝碳纳米管纤维工艺示意图。

分散机制：电荷转移与非共价吸附

实现碳纳米管有效分散是湿法纺丝制备碳纳米管纤维的关键。碳纳米管的分散机制整体分为电荷转移和非共价吸附两种。电荷转移机制是由于质子-CNTs之间的电子极化，通过引入电荷，增加其静电排斥力，进而实现高效的分散作用。非共价吸附通过表面活性剂或高分子材料吸附在碳纳米管表面，降低其相互作用力，从而达到稳定分散的效果。

图3.（a）电荷转移分散过程示意图。(b)非共价吸附分散过程示意图。(c) CNTs 在超酸中的相图。

碳纳米管纤维批量化制备的挑战和机遇

湿法纺丝技术是最有望实现碳纳米管纤维批量化的制备技术，但仍然面临着诸多挑战。主要分为两个方面：首先，从商业化规模制备的角度考虑，必须评估湿法纺丝技术的经济可行性和实验安全性。要实现碳纳米管纤维的大规模生产，还有几个关键技术问题亟待解决，包括碳纳米管高浓度均匀分散技术、大规模丝束制备技术和连续后处理工艺。其次，纤维多尺度界面结构设计，连续化、自动化纺丝工艺，建立标号产品，复合材料制备工艺，增强结构设计，明确应用场景等是实现碳纳米管纤维连续化、规模化制备及应用的关键。

但是，随着湿法纺丝技术的不断突破，碳纳米管纤维的应用前景广阔。在航空航天、国防军工、电子器件等高端领域，碳纳米管纤维因其优异的性能，具有巨大潜力。此外，在民用领域，如高性能运动装备、智能服装等，也有望迎来广泛应用。未来，随着工艺技术的不断成熟和生产成本的降低，碳纳米管纤维有望实现产业化应用。

图4. 总结了湿法纺丝制备碳纳米管纤维在规模化生产中面临的挑战及其潜在的未来应用。

结语

湿法纺丝技术是实现碳纳米管纤维批量制备的潜在有效路径，通过对分散机制的不断探究以及对纺丝过程和后处理工艺的持续优化，有望显著提升碳纳米管纤维的力学、电学和热学性能。尽管碳纳米管纤维的连续，批量制备技术仍面临诸多挑战，但近些年碳纳米管的成本显著降低，分散及纺丝技术快速发展，使得湿纺碳纳米管纤维领域充满机遇。