技术ℱ采用凝胶静电纺丝工艺制备超细纤维
美国麻省理工学院的研究人员开发了一种能够制备超细纤维的工艺，这些纤维的直径以纳米计量，只有十亿分之一米，但非常强韧。
这些既便宜又易于生产的纤维，可以成为许多应用的选择材料，如防护装甲和纳米复合材料。
麻省理工学院化学工程教授Gregory Rutledge和博士后Jay Park在一篇论文中对这种被称作“凝胶静电纺丝”的新工艺作了介绍。这篇论文可在线阅读，并将发表在《材料科学》杂志2月刊中。
Rutledge解释说，在材料科学中有很多取舍，研究者们通常在提高材料一种性能的同时，会看到另一种性能的降低。
“强度和韧性就是这样一对矛盾体：通常，当你获得了高强度，就会在韧性上有所损失。”他解释说，“材料变得越脆，就越发丧失了吸能机制，而且易于断裂。”
但是，采用这项新工艺制成的纤维，则在很大程度上避免了这些取舍。能够获得一种强度和韧性都极高的材料，这是非常重要的。
这项工艺是对被称作“凝胶纺丝”的传统方法的一种变异，它增加了电力，结果获得了超细的聚乙烯纤维，其性能可与一些用来生产盔甲以阻止子弹的最强大的纤维如Kevlar和Dyneema相媲美，或者还超越于它们。
“我们最开始的任务是制造拥有不同尺寸范围（即尺寸不到1µm）的纤维，因为它们能以自有的能力而具备各种有趣的功能。”Rutledge说道，“而且许多年来，我们已经看到了这样一种超细纤维，它们有时被称作‘纳米纤维’，但是，在所谓的‘高性能纤维’范围中，却没有什么。”
高性能纤维，包括芳纶纤维如Kevlar，以及像Dyneema和Spectra一样的凝胶纺丝聚乙烯，也可用于制造满足极端应用需求的绳索，以及作为增强材料而用于一些高性能的复合材料中。
“许多年来，这一领域一直没有全新的变化，因为已有一些非常出色的纤维达到了顶级的力学性能。”Rutledge介绍说，但是，这种新材料却超越了所有其他的材料。“真正让此与众不同的是我们所说的比模量和比强度，这意味着在每一单位重量的基础上它们超越了所有。”
模量是指纤维的刚性如何，或者能够被拉伸到怎样的程度。
与广泛应用于复合材料的碳纤维和陶瓷纤维相比，这种新的凝胶静电纺丝聚乙烯纤维拥有类似的强度，但更加坚韧并拥有更低的密度，这意味着在同样重量的情况下，它们大幅超越了标准材料。
在创造这种超细材料的过程中，该团队的目标只是为了与现有的微细纤维的性能相媲美。“所以，对于我们而言，这是一项不错的成就。”Rutledge说，“实际上，这种材料原来在一些重要方面是更好的。虽然测试材料所拥有的模量并不是与现有最好的纤维一样好，但却相当接近，足以形成竞争。”
重要的是，他补充道：“在比商用材料更好的两个因素中，强度是其中的一个，而且可与目前最好的学术材料相媲美，同时它们的韧性要高大约一个数量级。”
这些研究人员还在研究是什么导致了这种令人印象深刻的表现。“这似乎是我们收到的一点礼物：纤维的尺寸减小了，而这是我们没有预料到的。”Rutledge说道。
他解释说：“虽然大多数的塑料是坚韧的，但它们的刚性和强度却不如我们所获得的。”
玻璃纤维是刚性的但不是很强，钢丝很强但不是很硬，而这种新的凝胶静电纺丝纤维却无可比拟，似乎综合了理想的强度、刚性和韧性品质。
“就我们所带来的材料而言，所采用的这种凝胶静电纺丝工艺本质上非常类似于传统的‘凝胶纺丝’工艺，但由于我们采用了电力，而且采用的是单一步骤的工艺而非多个步骤的传统工艺，因此我们获得的纤维可以得到更大程度的拉伸，这些纤维直径只有几百纳米而非典型的15µm。”他介绍说。
这些研究者所采用的工艺结合使用了一种聚合物凝胶作为初始材料，如在凝胶纺丝纤维中，但拉出纤维采用的却是电力而不是机械拉力。
这些带电纤维引发了不稳定的“抽打”过程，由此而形成了它们的超细尺寸。结果，那些狭小的尺寸带来了纤维的独特性能。
这些结果可能导致防护材料的产生，它们与现有的防护材料一样强大但却不笨重， 因而更实用。
Rutledge补充说：“它们可能拥有一些我们至今还没有想到的应用，因为我们现在才知道，它们具备这样的韧性等级。”
通过美国纳提克士兵研究、发展和工程中心以及士兵纳米技术研究所，这项研究得到了美国陆军的支持，同时还得到了美国国家科学基金会材料科学与工程中心的支持。
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