科学家用溶剂

发布日期：2022-05-12 来源: 未知 阅读量（）

　　原标题：科学家用溶剂酱汁克服了3D打印碳纳米管的缠绕效应

　　莱斯大学的研究人员开发了一种新型酸基溶剂，可以防止碳纳米管缠在一起时通常发生的意大利面条效应。

　　除了与传统制造工艺兼容外，该溶剂还具有简化碳纳米管加工的潜力，从而能够扩大工业3D打印和卷对卷生产应用的规模。

　　莱斯大学化学和生物分子工程、化学和材料科学以及纳米工程教授 Matteo Pasquali 说：“人们越来越意识到增加铜、铝和镍的开采可能不是一个好主意。“但是有一个巨大的机会将碳氢化合物用作我们的矿石。

　　“在这种情况下，我们需要尽可能地扩大我们可以使用碳材料的范围，特别是在碳材料可以替代金属的产品中，这种产品可以像碳氢化合物这样的原料可持续制造。”

　　当使用莱斯大学开发的溶剂进行处理时，在这张显微镜图像中看到的类似意大利面条的碳纳米管缠结将不再是问题

　　自1991年发现以来，碳纳米管被誉为比钢强一百倍、比钻石硬、导电性比铜高一千倍。虽然研究已经提出了碳纳米管的一系列潜在重要工业应用，例如电子和水净化过滤器，但该技术仍处于开发阶段。

　　目前，碳纳米管可用于开发具有优异机械、导热和导电性能的复合材料，然而，将其用于3D打印仍面临重大挑战。

　　到目前为止，碳纳米管材料已被用于3D打印形状记忆聚合物，用于软机器人应用，并且由于它们的生物相容性，还被用于3D打印组织支架。

　　去年 4 月，总部位于亚利桑那州的初创公司 Mechnano 推出了静电放电 (ESD) 树脂，从而退出了其用于3D打印材料的碳纳米管技术研发的隐形模式。该公司声称是第一家使用材料喷射和大桶光聚合系统制造碳纳米管零件的公司，并相信其技术将为航空航天、国防、医疗和汽车等行业带来“巨大变化”。

　　处理碳纳米管的挑战之一是它们容易缠结，这反映了打印工作出错时可怕的“意大利面”效应，直到现在，这一直阻止研究人员实现它们的全部潜力。

　　根据莱斯大学的研究小组，在3D打印或剪切力将纳米管挤压成熟悉的纤维或薄片之前，分离纳米管是必要的一步。

　　该研究小组开发了一种酸基溶剂，有助于在溶液中分离缠结的纳米管，并将其转化为薄膜、纤维或其他具有优良电气和机械性能的材料。该溶剂由一种独特的酸组合组成，即甲烷磺酸(MSA)、对甲苯磺酸(pToS)和发烟酸，当这些酸组合在一起时，比目前在纳米管加工中使用的腐蚀更小。

　　发烟硫酸和氯磺酸被用于分离纳米管已有一段时间，但它们具有很强的腐蚀性。将发烟硫酸与较弱的MSA和pToS酸结合在一起，能够创造一种广泛适用的工艺，为碳纳米管部件的制造提供了新的机会。

　　参与这项研究的莱斯大学(Rice University)毕业生、现任壳牌公司(Shell)研究科学家罗伯特·海德里克(Robert Headrick)说:“发油毯围绕着每个纳米管，并赋予它非常局部的正电荷。”“电荷使它们相互排斥。”

　　缠结阶段后，MSA和pToS酸进一步分离纳米管。研究人员发现，MSA最适合纤维纺丝和卷对卷薄膜生产，而pToS适合3D打印应用，因为其40摄氏度的熔点允许纳米管溶液在中等温度下处理，然后通过冷却固化。

　　然后，该团队使用稳定的液晶溶液对碳纳米管气凝胶进行3D打印，并将丝网印刷图案打印到一系列不同的表面上。他们发现MSA 和 pToS在此过程中不会散发出有害烟雾，并且之后很容易清理。酸也可以在工艺完成后回收，从而降低环境影响、能源和加工成本。

　　“我们使用的酸非常温和，您可以将它们与普通塑料一起使用，”Headrick 补充道。“这为制造设施中已经采用的许多材料加工和3D打印技术打开了大门。

　　“将碳纳米管集成到其他设备中，将它们作为设备制造过程中的一个步骤进行沉积也非常重要。”

　　莱斯大学团队的研究得到了几个著名组织的支持，包括空军科学研究办公室、美国能源部、美国宇航局空间技术研究所和罗伯特·A·韦尔奇基金会。

　　该团队的下一步是针对各种特定应用微调溶剂，并确定手性、物体何时可与其镜像区分开来以及尺寸如何影响纳米管加工。研究人员还强调了获得高质量、清洁的大直径管的重要性。