中國熱科院在高性能碳納米管紗線制備方面取得重要進展

近日，中國熱科院加工所在高效率、低成本碳納米管紗線制備方面取得重要進展，首次設計了一種連貫的碳納米管紗線濕法紡絲制備方法，成功將紗線加捻技術應用在濕紡碳納米管紗線領域，為擴大優質碳納米管紗線的制造提供了新思路，也為多功能天然橡膠/碳納米管復合纖維的研究提供了新啟發。

碳納米管紗線制備流程及形貌結構

碳納米管(CNT)具有獨特的結構和功能特性，是制造高級紗線的理想材料。然而，制造的復雜性和高成本阻礙了碳納米管紗線的廣泛應用。濕法紡絲技術作為一種成熟的工業技術，可制備出具有良好的性能的碳納米管紗線，有望實現CNT紗線的大量生產。但在傳統的CNT分散液濕紡技術中，因使用大量的表面活性劑輔助分散CNT以及使用大量有機溶劑輔助CNT紗線成型，不可避免的惡化了CNT紗線的導電能力，并且后處理方法復雜。另一方面，新興的液晶紡絲技術雖然成功實現了制備高導電性和力學性能的純CNT紗線，并有效解決了CNT在紗線內部的堆積密度和排列取向等難題，但由于使用大量的超強酸產生了一系列的安全問題，并對儀器和環境都要求極高，限制了這一技術的普及。因此，實現高效率、低成本制備高性能的CNT紗線，是擴大CNT紗線生產規模和應用必須要面對的問題。

碳納米管紗線的小角和廣角X射線散射數據

研究團隊制定了一種碳納米管紗線濕紡制備的新策略。選擇脫氧牛磺膽酸鈉作為表面活性劑制備了均勻的單壁CNT水系分散液；選擇乙酸作為凝固浴，實現了表面活性劑的快速去除以及凝膠狀紗線的快速成型；得益于CNT紡絲液在乙酸中可以形成外部堅固的膠狀紗線，本工作首次通過實驗證明了加捻技術也適用于改善濕態單壁CNT紗線的結構。通過對紗線進行濕加捻，膠狀紗線中殘留的液體可以被快速擠出，紗線內部CNT的排列得到了顯著的改善，紗線的密度由0.8 g cm-3增加到1.2 g cm-3。因此，紗線的力學性能和導電性能得到了大幅度的提高，濕加捻紗線的強度高達600 MPa，模量約為40 GPa，電導率達到8990 S cm-1，重要的是，濕加捻步驟可以與紡絲過程連貫進行，從紡絲液擠出到高性能紗線的收集可以在幾分鐘內完成。當紗線用于高性能紗線加熱器時，在5 V的低電壓下，加熱速率可達1010℃ s-1，優于已知的大多數報道。總之，本工作報告了一種簡單高效的濕紡策略來制備連續高性能CNT紗線，開辟了一種簡單可行的制備高性能CNT紗線的方法，有望促進CNT紗線在不久的將來大規模制備和應用。

碳納米管紗線結構及高力學性能、電學性能展示

相關研究結果以“Wet Twisting in Spinning for Rapid and Cost-Effective Fabrication of Superior Carbon Nanotube Yarns”為題發表在中科院一區TOP期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.0），中國熱科院加工所為第一單位，科研助理趙旭為第一作者，陶金龍副研究員和特聘專家張吉振研究員為通訊作者。該研究得到海南省重點研發、中國熱科院“揭榜掛帥”、中國熱科院國家熱帶農業科學中心科技創新團隊等項目的支持。