麻省理工學(xué)院化學(xué)工程教授格雷戈里•拉特利奇和博士后研究生杰伊•帕克在一篇論文中詳述了這種稱(chēng)為凝膠靜電紡絲的新工藝。該論文在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，并將在今年2月份的《材料科學(xué)》期刊中發(fā)表。

 

在材料科學(xué)中，拉特利奇解釋說(shuō)，“存在很多需要權(quán)衡、妥協(xié)的地方”。通常情況下，提高材料的某一個(gè)特性，可能會(huì)導(dǎo)致其他不同特性的下降。

 

“強(qiáng)度和韌性就是這樣的一對(duì)材料特性：通常當(dāng)?shù)玫礁邚?qiáng)度時(shí)，材料會(huì)損失韌性。”“材料變得更脆，吸收能量的機(jī)制受到，材料更容易斷裂。”

 

但是在新工藝制造的纖維中，許多這種類(lèi)似的妥協(xié)被消除了。

 

拉特利奇表示，同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高韌性，對(duì)材料來(lái)說(shuō)一件具有重要意義的大事。

 

這項(xiàng)大事就是采用這種新型工藝實(shí)現(xiàn)的。該工藝改變了傳統(tǒng)的凝膠紡絲方法，增加了電力的作用。其結(jié)果就是形成了聚乙烯超細(xì)纖維，其性能達(dá)到、甚至超過(guò)一些我們所認(rèn)知的最強(qiáng)的纖維材料，如凱夫拉纖維和大力馬纖維等用于生產(chǎn)防彈衣的材料。

 

拉特利奇說(shuō)：“在開(kāi)始這項(xiàng)研究時(shí)，我們最初的任務(wù)就是制造不同尺寸范圍的纖維，即直徑小于1微米的纖維。因?yàn)檫@些纖維本身具有各種有趣的特征。我們已經(jīng)針對(duì)這種超細(xì)纖維，有時(shí)也被稱(chēng)為納米纖維，進(jìn)行了多年的研究。但是在所謂的高性能纖維領(lǐng)域內(nèi)，并沒(méi)有任何建樹(shù)。”

 

高性能纖維，包括芳香族聚酰胺（如凱夫拉纖維）和采用凝膠紡絲法制造的高分子量聚乙烯（如大力馬纖維和Spectra纖維），也在極限特種功能繩索和一些高性能復(fù)合材料中用作增強(qiáng)纖維。

 

拉特利奇表示：“多年來(lái)，在這一領(lǐng)域中，已經(jīng)很久沒(méi)有發(fā)生過(guò)重大創(chuàng)新，因?yàn)楝F(xiàn)有的高性能纖維表現(xiàn)非常優(yōu)秀。”但他同時(shí)表示，這種采用新工藝制造的新材料，其性能超過(guò)了其他所有材料。“真正將新材料與傳統(tǒng)高性能纖維去唄開(kāi)來(lái)性能指標(biāo)，是我們所說(shuō)的比模量和比強(qiáng)度，這意味著材料在單位重量的模量和強(qiáng)度上，新型材料的表現(xiàn)都遠(yuǎn)超同類(lèi)。”

 

模量是指纖維的堅(jiān)硬程度，或指纖維可以抵抗拉伸的程度。

 

與在復(fù)合材料中廣泛使用的碳纖維和陶瓷纖維相比，采用凝膠靜電紡絲的新型聚乙烯纖維具有相似的強(qiáng)度，但是韌性更強(qiáng)且密度更低。這意味著，在同等重量下，新型材料的性能將大大優(yōu)于傳統(tǒng)材料。

 

在創(chuàng)造這種超細(xì)材料時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)只是為了使得新材料與現(xiàn)有的微米級(jí)纖維的性能相當(dāng)，如果做到這一點(diǎn)，拉特利奇表示“對(duì)我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)是一個(gè)不錯(cuò)的成就。”。不過(guò)事實(shí)上，新材料在很大程度上變得更好。雖然經(jīng)過(guò)測(cè)試，新材料的模量不如現(xiàn)有的最好的纖維，但差距非常接近——這足以證明新材料“極具競(jìng)爭(zhēng)力”。

 

他補(bǔ)充說(shuō)，最重要的是，“這種材料的強(qiáng)度比現(xiàn)有市場(chǎng)中材料強(qiáng)一倍，并且可以與目前最先進(jìn)的、尚且處于學(xué)術(shù)研究階段的材料相媲美。而且其韌性要比其他同類(lèi)材料強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

研究人員仍然在研究，到底是什么原因使得這種材料展現(xiàn)出了令人印象深刻的性能。“隨著纖維尺寸的縮小，我們并沒(méi)有期待它能有如此出色的性能表現(xiàn)，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)就像是收到了一份大禮。”拉特利奇說(shuō)。

 

他解釋說(shuō)：“大多數(shù)塑料都很硬，但是它們的強(qiáng)度和剛度不如我們所得到的新材料。”玻璃纖維剛度優(yōu)異但強(qiáng)度不高，而鋼絲強(qiáng)度很高但剛度不足。新型凝膠電紡纖維則結(jié)合了強(qiáng)度，剛度和韌性等理想品質(zhì)。

 

使用凝膠靜電紡絲工藝“與我們所采用的材料方面的常用方法——凝膠紡絲工藝——本質(zhì)上非常相似，但是引入了電力的作用”，拉特利奇表示，研究團(tuán)隊(duì)使用的是單級(jí)工藝，而不是傳統(tǒng)工藝中的多級(jí)工藝，“我們正在獲得具有更高拉伸度的纖維”，它們的直徑僅有幾百納米，而不是傳統(tǒng)纖維的15微米。研究人員在新工藝中借鑒了凝膠紡絲纖維，使用聚合物凝膠作為起始材料，但使用電力而不是機(jī)械牽引將纖維拉出；帶有靜電的纖維誘發(fā)產(chǎn)生一種類(lèi)似“鞭子分叉”的不穩(wěn)定過(guò)程，即可形成超細(xì)尺寸纖維。事實(shí)證明，這種尺寸的纖維具有獨(dú)特性質(zhì)。

 

研究結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致新型防護(hù)材料跟現(xiàn)有的相比強(qiáng)度相當(dāng)，但體量更小，更加實(shí)用。而且，拉特利奇補(bǔ)充道，“他們可能還可以在我們還沒(méi)有想到的一些領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道新材料具有杰出的韌性。”

 

這項(xiàng)研究目前由美國(guó)陸軍通過(guò)納蒂克士兵研究發(fā)展與工程中心、士兵納米技術(shù)研究所和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)材料科學(xué)與工程中心進(jìn)行資助支持。