麻省理工學院化學工程教授格雷戈里•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為凝膠靜電紡絲的新工藝。該論文在網絡上發布，并將在今年2月份的《材料科學》期刊中發表。

 

在材料科學中，拉特利奇解釋說，“存在很多需要權衡、妥協的地方”。通常情況下，提高材料的某一個特性，可能會導致其他不同特性的下降。

 

“強度和韌性就是這樣的一對材料特性：通常當得到高強度時，材料會損失韌性。”“材料變得更脆，吸收能量的機制受到，材料更容易斷裂。”

 

但是在新工藝制造的纖維中，許多這種類似的妥協被消除了。

 

拉特利奇表示，同時獲得高強度和高韌性，對材料來說一件具有重要意義的大事。

 

這項大事就是采用這種新型工藝實現的。該工藝改變了傳統的凝膠紡絲方法，增加了電力的作用。其結果就是形成了聚乙烯超細纖維，其性能達到、甚至超過一些我們所認知的最強的纖維材料，如凱夫拉纖維和大力馬纖維等用于生產防彈衣的材料。

 

拉特利奇說：“在開始這項研究時，我們最初的任務就是制造不同尺寸范圍的纖維，即直徑小于1微米的纖維。因為這些纖維本身具有各種有趣的特征。我們已經針對這種超細纖維，有時也被稱為納米纖維，進行了多年的研究。但是在所謂的高性能纖維領域內，并沒有任何建樹。”

 

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合材料中用作增強纖維。

 

拉特利奇表示：“多年來，在這一領域中，已經很久沒有發生過重大創新，因為現有的高性能纖維表現非常優秀。”但他同時表示，這種采用新工藝制造的新材料，其性能超過了其他所有材料。“真正將新材料與傳統高性能纖維去唄開來性能指標，是我們所說的比模量和比強度，這意味著材料在單位重量的模量和強度上，新型材料的表現都遠超同類。”

 

模量是指纖維的堅硬程度，或指纖維可以抵抗拉伸的程度。

 

與在復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度，但是韌性更強且密度更低。這意味著，在同等重量下，新型材料的性能將大大優于傳統材料。

 

在創造這種超細材料時，研究團隊的目標只是為了使得新材料與現有的微米級纖維的性能相當，如果做到這一點，拉特利奇表示“對我們來說已經是一個不錯的成就。”。不過事實上，新材料在很大程度上變得更好。雖然經過測試，新材料的模量不如現有的最好的纖維，但差距非常接近——這足以證明新材料“極具競爭力”。

 

他補充說，最重要的是，“這種材料的強度比現有市場中材料強一倍，并且可以與目前最先進的、尚且處于學術研究階段的材料相媲美。而且其韌性要比其他同類材料強一個數量級。

 

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

 

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

 

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——本質上非常相似，但是引入了電力的作用”，拉特利奇表示，研究團隊使用的是單級工藝，而不是傳統工藝中的多級工藝，“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械牽引將纖維拉出；帶有靜電的纖維誘發產生一種類似“鞭子分叉”的不穩定過程，即可形成超細尺寸纖維。事實證明，這種尺寸的纖維具有獨特性質。

 

研究結果可能會導致新型防護材料跟現有的相比強度相當，但體量更小，更加實用。而且，拉特利奇補充道，“他們可能還可以在我們還沒有想到的一些領域進行應用，因為我們已經知道新材料具有杰出的韌性。”

 

這項研究目前由美國陸軍通過納蒂克士兵研究發展與工程中心、士兵納米技術研究所和國家科學基金會材料科學與工程中心進行資助支持。