MIT： 超细超强纤维

美国麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种新的可用于制备具有极高强度和韧性的超细纤维的技术。所得纤维是一种可用于防弹头盔和纳米复合材料等诸多领域的理想材料，同时还具有价格低廉、易于生产的特点。

MIT化学工程系教授Gregory Rutledge和博士后Jay Park在其论文中将这种新技术命名为“冻胶静电纺丝”，该论文已在《Journal of Materials Science》的二月版上发表。

Rutledge教授认为，在材料科学领域，材料具有许多优缺点，需要权衡。最典型的表现是，研究人员在提高材料某种性能时，这种材料的其他某些性能可能会有所下降。他指出强度和韧性就是这样的一对矛盾体。通常研究者制备高强材料时，有可能损失了这种材料的韧性。材料脆性的增加使得其吸收的冲击能下降，进而材料更容易产生断裂。但采用上述新技术制备纤维，不存在这种性能权衡取舍的现象。

Rutledge教授表示，制得同时具有高强度和高韧性的材料是件不容易的事。而采用这种新方法可以实现，该方法是在传统的冻胶纺丝技术基础上，施加以电压，制备超细聚乙烯纤维。所得纤维性能超过目前一些用于防弹衣和防弹头盔的、强度最高的纤维(如Kevlar 和Dyneema)，或与之相媲美。

左：对注射器加热，并挤出纺丝溶液；右：纺丝腔体，细流在电场力作用下被拉伸成超细的聚乙烯纤维图1 纤维制备装置(资料来源：研究人员供图)

图2 MIT研究组制备的新型超细纤维的SEM图

Rutledge教授等最开始致力于制备直径为1 μm以下的各种尺寸的纤维，因为这种尺寸的纤维本身就具有各种有趣的特性。他们已经关注这种超细纤维(或称为纳米纤维)很多年，但仍不能称其为高性能纤维。真正意义上的高性能纤维指的是，芳香族聚酰胺纤维(如Kevlar)以及冻胶纺丝聚乙烯纤维(如Dyneema和Spectra)，这些高性能纤维可用于制备极端环境下使用的绳索以及用于高性能复合材料的增强纤维。

Rutledge教授认为，多年来，高力学性能领域并没有太多的新变化，这主要是在高力学性能领域里有很多性能优异的纤维，但这种新材料的性能超越了其他所有材料，真正让这些新材料与众不同的是其超高的比强度和比模量，这意味着在一定质量的前提下，它们优异的性能可超过其他一切材料。

与广泛应用于复合材料的碳纤维和陶瓷纤维相比，这种新的冻胶静电纺丝聚乙烯纤维拥有同等强度、更高的韧性和更低的密度。这意味着在同等质量下，它们在很大程度上超过了标准材料。

在制备这种超细纤维的过程中，研究小组最初的目标是制备出与现有超细纤维性能相媲美的纤维，Rutledge教授指出，研究结果证明他们出色地完成了目标。事实上，这种材料在很多方面具有更加优异的性能。尽管该纤维测得的模量不如现有最好的纤维，但其值已非常接近，足以与现有纤维相竞争。更关键的是，该纤维强度约为现有商、工业化材料的两倍，同时其韧性要高出一个数量级，超过实验室制得的其他所有材料。

研究人员仍然在探索使该纤维具有如此令人瞩目的高性能的原因。Rutledge教授表示，随着纤维尺寸的减小，其性能远远超出他们的预期，这是给予他们的礼物。

他认为，大多数树脂都具有很好的韧性，但它们的刚性和强度都不如这种冻胶凝电纺丝纤维。玻璃纤维刚度较高但强度并不是很高，钢丝强度较高但刚度不够。新的冻胶静电纺丝纤维具有理想的强度、刚度和韧性，目前几乎没有其他纤维可以与之匹敌。

新的冻胶静电纺丝工艺所使用的材料与传统的(冻胶纺丝)工艺非常类似，但Rutledge等引入了电场，该工艺是一步法制备工艺，而非传统的多步法工艺。由此得到了更高拉伸倍数的纤维，制得纤维的直径为几百纳米，而非传统工艺的15 μm。研究人员将聚合物冻胶作为原材料，这与冻胶纺丝相同，但该工艺使用电场力而非机械力拉伸纤维。带电射流产生不稳定的“鞭打”使丝维尺寸处于极细范围，从而赋予纤维独特的性能。

这些结果可使防护材料实现与现有材料强度相同而体积更小，从而更便于实际应用。同时，Rutledge教授称，这种工艺制备的材料还能可在其他领域使用，他们目前仅认识到该材料的韧性优势。

这项研究得到了美国陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心、士兵纳米技术研究所和美国国家自然科学基金会材料科学与工程中心的支持。

采用冻胶静电纺丝技术，首次制备出性能优异、直径小于1 μm的具有较高刚度、强度和韧性的超细聚乙烯纤维。在纺丝工艺中，选择合适的溶液浓度和工艺温度，从而在喷射过程中形成冻胶纤维。由于“不稳定鞭打”使纤维受到高速拉伸，从而制得亚微米级的纤维，所得纤维杨氏模量平均值为(73±13) GPa，屈服强度为(3.5±0.6) GPa，韧性为(1.8±0.3) GPa。测试表明，直径最小为(490±50) nm的纤维，其杨氏模量达到(110±16) GPa，断裂强度达(6.3±0.9) GPa，韧性达(2.1±0.3) GPa，这种力学性能组合迄今为止聚合物纤维中无与伦比的。纤维的高刚性、高强度及高韧性与纤维直径的关系，主要归因于其较高的结晶度和取向度，以及小直径和高比表面积赋予纤维以低缺陷和较强的分子间滑移。冻胶静电纺丝技术可制备高性能纤维，具有一定的规模化生产前景。