MIT开发超细高效聚乙烯纤维

由麻省理工学院团队创建的新型超细纤维在扫描电子显微镜（SEM）图像中看到。

麻省理工学院的研究人员开发了一种可以生产超细纤维的过程 - 其直径在纳米中测量，或者亿米的亿米 - 这是特别强大和艰难的。这些纤维应该便宜且易于生产，可以是许多应用的选择材料，例如保护盔甲和纳米复合材料。

Cit Mit化学工程格雷利教授和Postdoc Jay Park的纸张中描述了新的新工艺，称为凝胶静电纺丝。本文出现在线，将在2月份的材料科学杂志上发表。

在材料科学中，Rutledge解释说：“有很多权衡。”通常，研究人员可以增强一种物质的一个特征，但会看到不同特征的下降。“力量和韧性是那样的：通常，当你得到高度的力量时，你会失去韧性的东西，“他说。“该材料变得更脆，因此没有吸收能量的机制，并且往往会破裂。”但在新过程所做的纤维中，许多这些权衡都被淘汰出局。

“当你获得具有非常高的强度和高韧性的材料时，这是一个很大的事项，”Rutledge说。这是该过程的情况，它使用称为凝胶纺丝的传统方法的变化，但增加了电力。结果是聚乙烯的超细纤维，其匹配或超过一些最强纤维材料的性质，例如Kevlar和Dyneema，其用于包括子弹防止体护甲的应用。

用于制造纤维的装置的图示出了加热的注射器（左），溶液被挤出，溶液挤出，其中股线对其旋转成最高性能的聚乙烯纤维的电场。

“我们开始使用一项任务，使纤维在不同的尺寸范围内，即低于1微米的一米米，因为这些拥有各种有趣的功能，”Rutledge说。“我们已经看过这种超细纤维，有时叫做纳脂纤维，多年来。但是没有任何称为高性能纤维范围的东西。“高性能纤维包括诸如Kevlar和凝胶纺粘物如Dyneema和Spectra等芳族聚酰胺，用于极端用途的绳索中，并且在一些高性能复合材料中作为增强纤维。

“多年来，”这种领域未发生全面的全面进展，因为它们在该机械空间中具有非常顶级的纤维，“Rutledge说。但他说，这种新材料超过了所有其他材料。“真正让那些分开的是我们称之为特定模量和特定强度的东西，这意味着它们在每权重的基础上，他们擅长一切。”模量是指纤维的僵硬是多么僵硬，或者它抗蚀剂的拉伸。

与广泛应用于复合材料的碳纤维和陶瓷纤维相比，新的凝胶电纺聚乙烯纤维具有类似的强度，但密度较大并且具有更低的密度。这意味着，努力以磅为单位，罗德德说，他们以广泛的余量更优于标准材料。

在创造这种超细材料时，该团队旨在匹配现有微纤维的性质，“如此证明对我们来说是一个很好的成就，”罗特说。事实上，物质证明了以显着的方式更好。虽然测试材料的模数不如现有的现有纤维，但它们非常接近 - 足以成为“竞争力”。令人遗憾的是，他补充说，“优势大约比商品更好的倍数，并且与最佳的学术材料相当。他们的韧性达到了更好的数量级。“

研究人员仍在调查这种令人印象深刻的表现的账户。“这似乎是我们作为礼物收到的东西，随着纤维尺寸的降低，我们不期望，”Rutledge说。

他解释说“大多数塑料很难，但它们并不像我们所获得的那样僵硬和强烈。”玻璃纤维僵硬但不是很强，而钢丝坚固但不是很僵硬。新的凝胶电纺纤维似乎以少等于的方式结合强度，刚度和韧性的理想质量。

使用凝胶静电纺丝过程“基本上与我们带来的材料方面的传统[凝胶纺纱]过程非常相似，但是因为我们使用电力”并使用单级过程而不是多个阶段他说，“我们正在获得更多高度绘制的纤维，”我们越来越高的冰角，而不是典型的15微米，而不是典型的15微米。研究人员的方法将聚合物凝胶作为起始材料的使用结合，如在凝胶纺丝纤维中，但使用电力而不是机械拉动以将纤维拔出;带电纤维引起“鞭打”不稳定过程，产生其超细尺寸。事实证明，那些狭窄的尺寸，导致了纤维的独特性质。

这些结果可能导致保护材料与现有的保护材料一样强，但庞大的庞大，使其更加实用。而且，Rutledge补充道，“他们可能有我们没有想过的申请，因为我们现在已经了解到他们有这种韧性。”

美国军队通过Natick士兵研究，开发和工程中心和士兵纳米技术研究所以及国家科学基金会材料科学与工程中心的支持。

出版物：Jay H. Park＆Gregory C. Rutledge，“超细高效聚乙烯纤维”，材料科学，2018; DOI：10.1007 / S10853-017-1724-Z