侯鹏翔研究员/刘畅研究员《AFM》：湿法纺丝制备高性能碳纳米管纤维取得新进展

碳纳米管因其独特的电学、力学、热学、光学特性，被认为是构建下一代多功能纤维材料的理想候选。然而如何将纳米尺度的单根碳管高效组装成宏观纤维，并实现碳管优异性能的跨尺度传递仍需要克服诸多科学、技术难题。湿法纺丝是制备高导电性碳纳米管纤维的主要技术方法，但湿法纺丝双扩散过程导致的“皮芯结构”成为限制所制备碳纳米管纤维取向度、密实度及电学和力学性能提升的关键瓶颈。

近日，中国科学院金属研究所王昊梓轲博士研究生、侯鹏翔研究员和刘畅研究员等在Advanced Functional Materials发表题为“Highly Conductive Double-Wall Carbon Nanotube Fibers Produced by Dry-Jet Wet Spinning”的研究论文。首次在碳纳米管纤维纺丝工艺中引入空气段，对双壁碳纳米管纺丝细流施加重力牵引以提高纤维的定向性、密实度，同时规避“皮芯结构”的形成，实现了高取向度（取向因子达到0.994）、高致密度（1.96 g cm-3）双壁碳纳米管纤维的控制制备。其电导率达1.1×107 S m-1、载流量达8.0×108 A m-2，比电导率和比容量达5.62×103 S m2 kg−1和4.09×105 A m kg−1, 分别是铜导线的86 %和3倍，同时其变温电阻系数仅为铜导线的1/2，有望在未来轻质、高强电缆领域获得实际应用。

这项研究工作中碳纳米管纤维电学和力学性能大幅提升的根源在于“皮芯结构”的消除以及纤维取向度和密实度的提高。受到高分子纤维材料干喷湿纺的启发，作者将空气段成功引入湿法纺丝制备碳纳米管纤维工艺中，在有效改善“皮芯结构”以及纤维的取向度和密实度同时，增加了纤维内碳纳米管之间的有效接触面积，使得纤维电学和力学性能同时大幅提升，其拉伸强度和断裂韧性分别提升1.8倍和2.5倍，达到1.65 GPa和130.9 MJ m-3。同时，在1 V的电压下，相较于传统钨铼丝，碳纳米管纤维展现出更优异的电加热性能，有望作为轻质电加热元件应用于航空航天等领域。

综上，作者在湿法纺丝碳纳米管纤维工艺中引入空气段，大幅改善了纤维内部的“皮芯结构”，提高了碳纳米管取向度、密实度、管间接触面积，获得了高电导率、高载流量、高抗拉强度和高断裂韧性的双壁碳纳米管纤维，其有望在轻质高强电缆、电加热元件等领域获得实际应用。

图1. 干喷湿纺制备高性能碳纳米管纤维的过程示意图

图2. 高性能碳纳米管纤维的结构表征

图3. 高性能碳纳米管纤维的取向度和密实度

图4. 高性能碳纳米管纤维的电学特性

图5. 高性能碳纳米管纤维的综合物性

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来源：高分子科学前沿

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