中国热科院在高性能碳纳米管纱线制备方面取得重要进展

近日，中国热科院加工所在高效率、低成本碳纳米管纱线制备方面取得重要进展，首次设计了一种连贯的碳纳米管纱线湿法纺丝制备方法，成功将纱线加捻技术应用在湿纺碳纳米管纱线领域，为扩大优质碳纳米管纱线的制造提供了新思路，也为多功能天然橡胶/碳纳米管复合纤维的研究提供了新启发。

碳纳米管纱线制备流程及形貌结构

碳纳米管(CNT)具有独特的结构和功能特性，是制造高级纱线的理想材料。然而，制造的复杂性和高成本阻碍了碳纳米管纱线的广泛应用。湿法纺丝技术作为一种成熟的工业技术，可制备出具有良好的性能的碳纳米管纱线，有望实现CNT纱线的大量生产。但在传统的CNT分散液湿纺技术中，因使用大量的表面活性剂辅助分散CNT以及使用大量有机溶剂辅助CNT纱线成型，不可避免的恶化了CNT纱线的导电能力，并且后处理方法复杂。另一方面，新兴的液晶纺丝技术虽然成功实现了制备高导电性和力学性能的纯CNT纱线，并有效解决了CNT在纱线内部的堆积密度和排列取向等难题，但由于使用大量的超强酸产生了一系列的安全问题，并对仪器和环境都要求极高，限制了这一技术的普及。因此，实现高效率、低成本制备高性能的CNT纱线，是扩大CNT纱线生产规模和应用必须要面对的问题。

碳纳米管纱线的小角和广角X射线散射数据

研究团队制定了一种碳纳米管纱线湿纺制备的新策略。选择脱氧牛磺胆酸钠作为表面活性剂制备了均匀的单壁CNT水系分散液；选择乙酸作为凝固浴，实现了表面活性剂的快速去除以及凝胶状纱线的快速成型；得益于CNT纺丝液在乙酸中可以形成外部坚固的胶状纱线，本工作首次通过实验证明了加捻技术也适用于改善湿态单壁CNT纱线的结构。通过对纱线进行湿加捻，胶状纱线中残留的液体可以被快速挤出，纱线内部CNT的排列得到了显著的改善，纱线的密度由0.8 g cm-3增加到1.2 g cm-3。因此，纱线的力学性能和导电性能得到了大幅度的提高，湿加捻纱线的强度高达600 MPa，模量约为40 GPa，电导率达到8990 S cm-1，重要的是，湿加捻步骤可以与纺丝过程连贯进行，从纺丝液挤出到高性能纱线的收集可以在几分钟内完成。当纱线用于高性能纱线加热器时，在5 V的低电压下，加热速率可达1010℃ s-1，优于已知的大多数报道。总之，本工作报告了一种简单高效的湿纺策略来制备连续高性能CNT纱线，开辟了一种简单可行的制备高性能CNT纱线的方法，有望促进CNT纱线在不久的将来大规模制备和应用。

碳纳米管纱线结构及高力学性能、电学性能展示

相关研究结果以“Wet Twisting in Spinning for Rapid and Cost-Effective Fabrication of Superior Carbon Nanotube Yarns”为题发表在中科院一区TOP期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.0），中国热科院加工所为第一单位，科研助理赵旭为第一作者，陶金龙副研究员和特聘专家张吉振研究员为通讯作者。该研究得到海南省重点研发、中国热科院“揭榜挂帅”、中国热科院国家热带农业科学中心科技创新团队等项目的支持。