碳纳米管增强塑料仍面临技术挑战

　　生意社12月24日讯　以色列魏茨曼(Weizmann)科学研究所的研究人员发现，将碳纳米管添加到塑料中，可以大大加强塑料的强度。这些研究人员目前正在研究如何将碳纳米管注入塑料或其他材料中，从而帮助提高复合材料的性能。

　　塑料(聚甲基丙烯酸甲酯)常常用来替代玻璃，是一种不易碎的材料，比如，树脂玻璃和透明合成树脂。研究人员用单壁和多壁碳纳米管增强聚甲基丙烯酸甲酯纤维后发现，尽管这两种类型都可有效增强塑料的强度，但多壁纳米管的韧性更强，相当于几个单壁纳米管嵌套在一起。

　　纳米结构的增强复合材料是未来研究的方向，目前已经逐渐开始取代微型分子复合材料。碳纳米管是一种自然的选择，因为它们异常坚韧，尤其是多壁碳纳米管可嵌套多达50个碳纳米管。虽然碳纳米管在显著提高材料强度上取得了不菲的成就，但目前在利用上还存在技术瓶颈。因为很难避免类似纳米集群的问题---一些碳纳米管随机聚合，而不是平均分布。这样一来，甚至可能降低材料的强度。

　　项目负责人DanielWagner解释说：“尽管我们已经投入了大量精力，但是研究结果仍然存在矛盾之处---碳纳米管虽能作为增强剂，但怎样使碳纳米管(多壁和单壁)有序的分布的问题并没有解决。这已经成为目前发展纳米复合材料的主要挑战。静电纺丝技术是目前较为简单有效的制备有序纳米纤维的手段。”静电纺丝技术通过静电力作为牵引力来制备超细纤维。在静电纺丝工艺过程中，将聚合物熔体或溶液加上高压静电,最终形成无纺布状的纳米纤维。

　　Wagner和他的同事SuiXiaomeng用静电分别提取了单纯聚甲基丙烯酸甲酯纤维和碳纳米管(多壁或单壁)增强的聚甲基丙烯酸甲酯纤维进行对比分析。结果表明，嵌入纤维中的纳米管能沿着纤维轴的方向整齐的排列。单壁碳纳米管增强的复合纤维，长且粗，其韧性比复合材料大三倍。而多壁碳纳米管则排列更均匀，从而能更大程度上增强纤维的韧性。

　　Wagner和Sui用自行发明的“微毫张力器”工具，测试每一根复合材料的张力，并通过电子显微镜观察拉伸过程。为了防止纤维直径对整个过程的影响，他们将样本的直径范围限定在500-750毫微米之间。实验发现，使用碳纤维纳米管增强的聚甲基丙烯酸甲酯纤维发生了“惊人”的转变。纤维在强拉力下表现的很坚韧，只会发生微小的变形，相比单纯聚甲基丙烯酸甲酯纤维的耐受性要强很多。

　　新型碳纳米管增强复合材料的结构(左)及碳纳米管网络与高分子之间的耦合示意图(右)