萊斯大學(xué)使用酸基溶劑，克服了碳納米管3D打印中的“意大利面”效應(yīng)

2022年4月30日，南極熊獲悉，萊斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型酸基溶劑，可以防止碳納米管纏在一起時(shí)產(chǎn)生的“意大利面條”效應(yīng)。除了與傳統(tǒng)制造工藝兼容外，該溶劑還具有簡化碳納米管加工的潛力，從而能夠擴(kuò)大工業(yè)3D打印和卷對卷工藝生產(chǎn)規(guī)模。

△萊斯大學(xué)開發(fā)適用于碳納米管的新型酸基溶劑。視頻來自萊斯大學(xué)Pasquali研究小組

萊斯大學(xué)化學(xué)和生物分子工程、化學(xué)和材料科學(xué)以及納米工程教授Matteo Pasquali說：“人們已經(jīng)意識到，不斷增加銅、鋁和鎳礦的開采可能不是一個(gè)好主意。“但是，可以通過將碳?xì)浠衔锾娲@些稀有金屬，“因此，我們需要盡可能擴(kuò)大碳材料的使用范圍，從而取代金屬?！?br />

△當(dāng)使用萊斯大學(xué)開發(fā)的溶劑進(jìn)行處理時(shí)，在這張顯微鏡圖像中看到的類似“意大利面條”的碳納米管纏結(jié)將不再是問題。圖片來自萊斯大學(xué)Pasquali研究小組

3D打印碳納米管
該材料自1991年發(fā)現(xiàn)以來，不斷的被人們所關(guān)注。碳納米管強(qiáng)度比鋼強(qiáng)一百倍、比鉆石硬、導(dǎo)電性比銅高一千倍的新材料。并提出了關(guān)于碳納米管的一系列潛在工業(yè)應(yīng)用，例如電子產(chǎn)品和水凈化過濾器等，目前都處于開發(fā)階段。

目前，碳納米管已用于樹脂填料中，適用于開發(fā)增強(qiáng)機(jī)械、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能的復(fù)合材料，然而，在3D打印的使用中仍面臨重大挑戰(zhàn)。

到目前為止，碳納米管材料已被用于3D打印形狀記憶聚合物，用于軟機(jī)器人應(yīng)用，并且由于它們的生物相容性，還被用3D打印組織支架等。

去年4月，總部位于亞利桑那州的初創(chuàng)公司Mechnano推出了專為3D打印技術(shù)研發(fā)，基于碳納米管技術(shù)的防靜電 (ESD) 樹脂。該公司聲稱是第一家使用材料噴射和大桶光聚合系統(tǒng)制造碳納米管零件的公司，并相信該技術(shù)將為航空航天、國防、醫(yī)療和汽車等行業(yè)帶來“巨大變化”。

△一個(gè)3D打印的圓柱體完全由萊斯大學(xué)開發(fā)的碳納米管墨水制成。圖片來自萊斯大學(xué)Pasquali研究小組

酸基溶劑解開納米管“意大利面”纏結(jié)
處理碳納米管的問題之一是它們?nèi)菀桌p結(jié)，在打印過程中出現(xiàn)可怕的“意大利面條”效應(yīng)，直到現(xiàn)在，這一直阻礙著研究人員充分發(fā)揮其材料潛力。根據(jù)萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的說法，在3D打印過程中，分離納米管是解決該效應(yīng)的有效方式。

基于以上問題，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種酸基溶劑，有助于分離溶液中纏結(jié)的納米管，并將它們轉(zhuǎn)化為薄膜、纖維或其他具有優(yōu)異電氣和機(jī)械性能的材料。該溶劑由酸的獨(dú)特組合組成，即甲磺酸 (MSA)、對甲苯磺酸(pToS)和發(fā)煙酸，這些酸在組合時(shí)的腐蝕性低于目前在納米管加工中使用的那些。

以前，發(fā)煙硫酸和氯磺酸已被用于分離納米管，但它們具有很強(qiáng)的腐蝕性?，F(xiàn)在將發(fā)煙硫酸與較弱的MSA和pToS酸相結(jié)合，創(chuàng)造了一種可廣泛適用于碳納米管部件的工藝。

“發(fā)煙硫酸圍繞著每個(gè)單獨(dú)的納米管，并在它局部產(chǎn)生正電荷，”參與這項(xiàng)研究的萊斯大學(xué)畢業(yè)生、殼牌現(xiàn)任研究科學(xué)家羅伯特·海德里克說?！斑@種效應(yīng)使他們互相排斥。”

在解決纏結(jié)之后，MSA和pToS酸進(jìn)一步分離納米管。研究人員觀察到，MSA最適合纖維紡絲和卷對卷薄膜生產(chǎn)，而pToS適合3D打印，因?yàn)樗?0攝氏度熔點(diǎn)允許納米管溶液在中等溫度下加工，然后通過冷卻固化.

△有關(guān)該研究的更多信息，請參閱發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的題為“用于原始碳納米管組裝的多功能酸溶劑”的論文（點(diǎn)我傳送門）。圖片來自科學(xué)進(jìn)展

然后，該團(tuán)隊(duì)使用穩(wěn)定的液晶溶液對碳納米管氣凝膠進(jìn)行3D打印，并將絲網(wǎng)印刷圖案打印到一系列不同的表面上。他們發(fā)現(xiàn)MSA和pToS在此過程中不會(huì)散發(fā)出有害煙霧，并且之后很容易清理。酸也可以在工藝完成后進(jìn)行回收，從而降低對環(huán)境的影響和成本。

“我們使用的酸非常溫和，您可以將它們與普通塑料一起使用，”Headrick 補(bǔ)充道?！霸摷夹g(shù)為許多材料加工和印刷技術(shù)解決了技術(shù)難題?！?br />
接下來的工作
該大學(xué)已得到了幾個(gè)重量級組織的支持，包括空軍科學(xué)研究辦公室、美國能源部、美國宇航局太空技術(shù)研究所和羅伯特·A·韋爾奇基金會(huì)。

研究小組的下一步工作是對溶劑進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用，并確定諸如手性(物體與鏡像的區(qū)別)和尺寸等因素如何影響納米管的處理。