MIT： 超細超強纖維

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員開發出一種新的可用于制備具有極高強度和韌性的超細纖維的技術。所得纖維是一種可用于防彈頭盔和納米復合材料等諸多領域的理想材料，同時還具有價格低廉、易于生產的特點。

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

Rutledge教授認為，在材料科學領域，材料具有許多優缺點，需要權衡。最典型的表現是，研究人員在提高材料某種性能時，這種材料的其他某些性能可能會有所下降。他指出強度和韌性就是這樣的一對矛盾體。通常研究者制備高強材料時，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，進而材料更容易產生斷裂。但采用上述新技術制備纖維，不存在這種性能權衡取舍的現象。

Rutledge教授表示，制得同時具有高強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現，該方法是在傳統的凍膠紡絲技術基礎上，施加以電壓，制備超細聚乙烯纖維。所得纖維性能超過目前一些用于防彈衣和防彈頭盔的、強度最高的纖維(如Kevlar 和Dyneema)，或與之相媲美。

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

圖2 MIT研究組制備的新型超細纖維的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，因為這種尺寸的纖維本身就具有各種有趣的特性。他們已經關注這種超細纖維(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境下使用的繩索以及用于高性能復合材料的增強纖維。

Rutledge教授認為，多年來，高力學性能領域并沒有太多的新變化，這主要是在高力學性能領域里有很多性能優異的纖維，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度和比模量，這意味著在一定質量的前提下，它們優異的性能可超過其他一切材料。

與廣泛應用于復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度、更高的韌性和更低的密度。這意味著在同等質量下，它們在很大程度上超過了標準材料。

在制備這種超細纖維的過程中，研究小組最初的目標是制備出與現有超細纖維性能相媲美的纖維，Rutledge教授指出，研究結果證明他們出色地完成了目標。事實上，這種材料在很多方面具有更加優異的性能。盡管該纖維測得的模量不如現有最好的纖維，但其值已非常接近，足以與現有纖維相競爭。更關鍵的是，該纖維強度約為現有商、工業化材料的兩倍，同時其韌性要高出一個數量級，超過實驗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，其性能遠遠超出他們的預期，這是給予他們的禮物。

他認為，大多數樹脂都具有很好的韌性，但它們的剛性和強度都不如這種凍膠凝電紡絲纖維。玻璃纖維剛度較高但強度并不是很高，鋼絲強度較高但剛度不夠。新的凍膠靜電紡絲纖維具有理想的強度、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的(凍膠紡絲)工藝非常類似，但Rutledge等引入了電場，該工藝是一步法制備工藝，而非傳統的多步法工藝。由此得到了更高拉伸倍數的纖維，制得纖維的直徑為幾百納米，而非傳統工藝的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，但該工藝使用電場力而非機械力拉伸纖維。帶電射流產生不穩定的“鞭打”使絲維尺寸處于極細范圍，從而賦予纖維獨特的性能。

這些結果可使防護材料實現與現有材料強度相同而體積更小，從而更便于實際應用。同時，Rutledge教授稱，這種工藝制備的材料還能可在其他領域使用，他們目前僅認識到該材料的韌性優勢。

這項研究得到了美國陸軍納蒂克士兵研究開發與工程中心、士兵納米技術研究所和美國國家自然科學基金會材料科學與工程中心的支持。

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