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    新型非織造材料——碳納米管

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    新型非織造材料——碳納米管
    碳納米管(CNT)研究近期成為研究的一大熱點,這是由于其獨特的納米纖維結構發揮出神器的性能。碳納米管優異的硬度、強力、導熱性、電學性質及高表面積具有的應用潛能,成為材料科學家對其進行深入研究的主要原因。然而,盡管碳納米管對紡織產品的影響顯著,但是生產高長徑比碳納米管和直接采用碳納米管制造非織造布的新方法還只在愿景之中。
    碳納米管的定義
    碳納米管是完全由石墨碳層構成的管狀纖維,它的碳碳鍵在類似雞籠的片狀石墨層形成一個六角形。用一個普通的比喻來描述碳納米管的結構,就是將像雞籠一樣的片狀旋轉成的一個圓柱體。石墨片層的取向平行于纖維軸,具有天然無管縫結構,使其機械性能可得到極大發揮。碳納米管的直徑范圍通常為1~50nm,這大大小于采用熔噴法或優化靜電紡絲得到的纖維直徑。
    大部分的碳納米管長度為1~10μm。消費者拿到的散裝碳納米管材料是一種類似于炭黑填充物的黑色粉末。由于表面積大,碳納米管有結塊和集束的傾向。一些纖維生產廠家通過在聚合物中混合碳納米管粉末擠出得到纖維來開發碳納米管的應用。當碳納米管的混合量很小時,碳納米管可以從塊狀狀態分離成單個狀態,從而增加機械性能和聚合物纖維的電導率。碳納米管混合量大時,能夠顯著提高溶液的粘度,但也會因為大量的碳納米管聚集而降低其機械性能。
    碳納米管的應用挑戰
    聚合物纖維中混用少量的碳納米管可以輕微改善纖維性能,但離科學家對碳納米管的設想還很遠。此外,纖維中的碳納米管呈膠囊狀包覆,使其高比表面積的潛能失效。
    利用碳納米管生產織物的常用工藝與濕法非織造布生產方法類似。通過機械攪拌作用,先把碳納米管分散在合適的溶液中,然后進行過濾獲得織物,通常稱之為巴基紙。這種工藝流程的主要缺點如下:碳納米管必須在溶液中進行很好分散;溶劑干燥過程中,碳納米管之間形成的毛細作用會產生顯著集束現象。
    碳納米管織物的形成工藝
    利用碳納米管直接生產織物的一個主要要求就是碳納米管有極高的長徑比。長度在幾百微米到幾毫米的碳納米管,相比于傳統紡織用到的短纖維而言是非常短的,在這種情形下,納米級別的碳納米管的直徑意味著其長徑比達到了百萬級。這一點很重要,因為碳納米管的表面光滑不帶化學功能基團,所以利用其生產的織物是由管道之間的弱二次交互作用連接的。增加碳納米管的長度使得更多的這種交互作用沿著其長度方向累積,從而能夠形成穩定織物。
    利用高長徑比碳納米管生產干碳納米管織物時,第一階段:碳納米管合成一段時間后,纏結于氣凝膠網中的長碳納米管發生反應,如果這個反應的一端是開放的,纏結網可以從反應器中通過機械作用取出,鋪到張緊皮帶上。在這個過程中,如果能保證碳納米管增長催化劑和碳源氣連續不斷地供應到反應器中,就可確保工藝的連續性。
    在第二階段,碳納米管合成于一個基底而不是懸浮在反應器中。這就要求通過事先擺放的具有一定間距納米催化劑的催化作用,使碳納米管沉積形成垂直對齊的碳納米管陣列。由于這種取向性及其在外觀上與竹林相似,也被稱作“碳納米管叢林”。碳納米管在“叢林”中的間距和質量得到絕對控制,所以當碳納米管水平取向的非織造布可以從垂直取向的陣列中取出來時,它們會展現出特殊性能。具有碳納米管取向的碳納米管非織造布可以成卷或成帶收起以生產碳納米管織物。
    碳納米管的潛在應用
    完全由碳納米管制成的織物有很多潛在應用。最吸引人的一個就是制備高強復合材料。織物中的碳納米管長度長、有取向性、呈分散單個狀態的可以被用來生產樹脂預浸織物和與傳統碳纖維材料類似的高纖維體積分數的復合材料。
    鑒于其多功能的性質,碳納米管織物及其復合材料可能滿足碳纖維復合材料在國防、航空航天、汽車和消費者市場無法滿足的需求。碳納米管具有的高比表面積、化學穩定性和熱穩定性可使其成為電池電極、催化劑載體、熱電材料及空氣過濾和水過濾的首選材料。

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