借3D打印,科学家用纳米纤维素和碳纳米管合成出高强度导电纤维

(a)3D打印的可编程CNF-NFC三层导电线路.(b)线路结构横截面的扫描电镜图像.(c-d)扫描电镜图像,展示出了良好的层间粘和性

纳米纤维素(NFC)和碳纳米管(CNT,又名巴基管)都是十分有前途的新材料 — 前者结实轻巧,未来有望取代金属和塑料,后者则具有优异的力学、电学和化学性能。那么,如果将二者结合,会不会产生更惊人的结果呢?对此,美国马里兰大学(UMD)给出了肯定的回答 — 借助3D打印技术,他们将NFC和CNT融合成了一种新的微纤维材料,而它既拥有很高的强度又具有很好的导电性,在能量存储、热量管理和可穿戴电子产品方面都有望得到应用。

据南极熊了解,这种新型NFC-CNT材料是通过一种快速且可扩展的3D打印方法制成的,同时具有很高的机械强度和导电性,所以如果用于制造电容器或电池,可明显提高它们的性能并降低成本。

“碳纳米管表面共价修饰和有机表面活性剂是将CNT分散于水溶液中的常规方法,但二者均会降低CNT的机械强度和导电性,”能源研究中心的助理教授胡亮冰(译名)表示,“所以,我们改用了NFC颗粒,将其作为分散剂和最终复合纤维中的加强。”

在已经发表于《Small Methods》期刊的论文中(点击这里查看或购买),UMD团队详细描述了合成这种新材料的过程:利用一种氧化NFC,他们成功将CNT分散到了水溶液中,从而得到了一种具有明显剪切稀化特性的混合溶液。其中,NFC和CNT的纤维排列得都很均匀,而这就改善了它们之间的相互作用和渗透,实现了出高机械强度(247±5MPa)和高电导率(216.7 ±10 S cm -1)的融合。

值得一提的是,团队通过3D打印实现一维纤维构造是基于水和酒精之间的一种溶剂交换作用。他们将被NFC分散的CNT溶液挤压到了凝固的酒精浴中,然后通过溶剂交换得到了稳定的凝胶纤维,最后将其取出在室温下干燥。在剪切力和干燥过程中张力的作用下,这种构成材料的“砖块”会沿着纤维长度的方向自动排成一行,最终形成一种高度对准的超细纤维。

《碳纤维遭遇强劲挑战!纳米纤维素进入3D打印领域》

《碳纳米管焊接法:可将FDM 3D打印件强度提高近3倍!》

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编译自3DPRINT