电纺技术可同时产生强韧的纳米纤维

高分辨率扫描电子显微镜显示了由UNL研究人员开发的一大束超强韧的连续纳米纤维。照片：乔尔·布雷姆（Joel Brehm），迪米特里·帕普科夫（Dimitry Papkov），尤里斯·德兹尼斯（Yuris Dzenis）

内布拉斯加州林肯大学的研究人员使用一种称为静电纺丝的技术，开发了一种既坚固又坚韧的异常薄的聚丙烯腈纳米纤维。

内布拉斯加州大学林肯分校的材料工程师开发了一种既坚固又结实的结构纳米纤维，这一发现可以改变从飞机和桥梁到防弹衣和自行车的所有东西。他们的发现刊登在本周四月的美国化学学会期刊ACS Nano的封面上。

该小组的负责人，机械和材料工程系McBroom教授，联合国大学内布拉斯加州材料和纳米科学中心的成员Yuris Dzenis说：“复合材料制成的任何材料都可以从我们的纳米纤维中受益。”

“我们的发现为当前精选的材料家族增加了新的材料类别，同时还显示出高强度和韧性。”

在结构材料中，传统观点认为，强度是以韧性为代价的。强度是指材料承受载荷的能力。材料的韧性是使材料断裂所需的能量。因此，材料凹陷或以某种方式变形的可能性越大，破裂的可能性就越小。例如，陶瓷板可以将晚餐运送到桌子上，但是如果掉落会碎裂，因为它缺乏韧性。另一方面，橡胶球很容易变形，但不会破裂，因为它坚硬而不牢固。通常，强度和韧性是互斥的。

Dzenis及其同事使用一种称为静电纺丝的技术开发了一种极薄的聚丙烯腈纳米纤维，这是一种与丙烯酸有关的合成聚合物。该过程涉及向聚合物溶液施加高压，直到少量液体喷出，从而形成连续长度的纳米纤维。

他们发现，通过使纳米纤维比以前更薄，纳米纤维不仅变得更加坚固，而且达到了预期的效果。

Dzenis认为韧性来自纳米纤维的低结晶度。换句话说，它的许多领域在结构上都是无组织的。这些无定形区域允许分子链更多地滑动，从而使它们具有吸收更多能量的能力。

大多数先进的纤维具有较少的无定形区域，因此它们相对容易断裂。在使用许多复合材料的飞机上，突然中断可能会导致灾难性的坠毁。作为补偿，工程师使用了更多的材料，这使飞机和其他产品变得更重。

Dzenis说：“如果结构材料更坚硬，则可以使产品更轻巧，而且仍然非常安全。”

防弹背心等防弹衣还需要坚固而结实的材料。他说：“要阻止子弹，您需要的材料必须能够在故障发生之前吸收能量，这就是我们的纳米纤维所能做的。”

Dzenis的合著者是UNL机械和材料工程系的机械和材料工程同事Dimitry Papkov，Yan Zou，Mohammad Nahid Andalib和Alexander Goponenko，以及StephenZ.D。俄亥俄州阿克伦大学的程。

这项研究由美国国家科学基金会，空军科学研究所和美国陆军研究处多学科大学研究计划资助。

出版物：Dimitry Papkov等人，“同时强韧的超细连续纳米纤维”，ACS Nano，2013，7（4），第3324–3331页； DOI：10.1021 / nn400028p

图片：乔尔·布雷姆（Joel Brehm），迪米特里·帕普科夫（Dimitry Papkov），尤里斯·德兹尼斯（Yuris Dzenis）