基于梳理法制备高强度、高电导率的巴基纸

自碳纳米管(Carbon nanotubes, 简称CNTs)在1991年首次被发现以来,它便因其突出的热学、力学和电学性能而备受关注。CNTs凭借其质量轻强度大的特性,一直被认为是复合材料的理想增强材料,从而被广泛研究。在众多由CNTs构建的具备应用前景的复合材料中,由随机取向的CNT团聚而成的薄膜,即巴基纸(buckypapers,也称为CNT纸)表现出优越的性能。它具有易于制造和大规模化生产的特点。

鉴于生产高品质巴基纸的重要性,研究人员主要将大量的精力用于发展不同的制备方法,比如 “多米诺推动”、“剪切挤压”和“拉伸挤压”等。尽管近10年来巴基纸已取得了显著的进步,譬如其杨氏模量已从原先的0.08 GPa提升到188 GPa,抗拉强度也从0.42 MPa增加到2.96 GPa,然而目前报道最好的电导率值仍只在6.53 x 102 S m-1到3.5 x 105 S m-1之间。若要发挥巴基纸的优势仍需近一步提升其机械和电学性能。该领域研究人员迫切渴望通过一种更简单的方法获得更优异的性能。

大道从简,一个杰出的发现往往源于一个简单的想法。在纺织业中通过使用梳理的方法实现更好的纤维排列已有几个世纪的历史。梳理的方法是将纤维分开然后再进一步理顺的过程。来自北卡罗莱纳州立大学的朱教授和他的合作者们现将这一传统的方法应用于巴基纸生产中以期获得高强度、高导电性的干燥CNT膜。实验过程中他们将两片手术刀片作为梳理的工具,首先将从CNT阵列中抽出的CNT膜通过两片手术刀片,随后再缠绕到旋转的轴芯上。其中刀片与CNT薄膜的最佳接触角为80o-85o。他们指出,由于CNT膜中的纳米管之间通过弱的范德瓦尔斯力连接,轴芯旋转速度不能超过20 rpm。

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 微梳理法作为一种简单而有效的方法成功地提高了CNT排列的有序性,同时降低了波浪状的起伏。通过这种方式生产出的CNT薄膜的杨氏模量可达172 GPa,抗拉强度高达3.2 GPa,电导率达到1.8 x 105 S m-1。其各方面性能都得到极大地提高,同时达到当前报道的各项性能的最优水平。最后值得一提的是,这种新颖的技术不仅不需要严格的过程控制,而且能提高CNT薄膜生产的可重复性。该技术有望在不久的将来使更多潜在的应用受惠。

相关研究成果发表在Small上(DOI: 10.1002/smll.201500111)。