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取向碳纳米管的宏观纤维和色带
摘要：使用简单的方法将单壁碳纳米管组装成无限长的带状物和纤维。 处理包括将纳米管分散在表面活性剂溶液中，使聚合物溶液流中的纳米管再凝结以形成纳米管网，然后将该网与纳米管纤维进行整理。 流动引起的对齐可能导致具有带状形式的网状物中纳米管的优先取向。 与经典碳纤维不同，纳米管纤维可以强烈弯曲而不会断裂。 他们获得的弹性模量比优质巴基纸的模量高10倍。
理论预测（1,2）和单个物体（3-5）的测量表明单壁碳纳米管（SWNTs）（6）可以形成具有优异机械和机电性能的材料的基础。尽管它们具有固有的刚性和高各向异性，但目前可用的宏观形式的SWNTs是各向同性的而且相当脆弱。这些形式主要由来源于合成的原始粉末状材料（7,8），溶剂（9）中的悬浮液和通过干燥SWNT悬浮液（10）获得的称作巴基纸的薄垫片组成。在宏观尺度上处理纳米管以获得具有更多实际用途的材料是主要挑战。在这里，我们报告了一种简单和多功能的方法，可以创建刚性纤维和优先取向的单壁碳纳米管带（11）。我们的处理包括将纳米管分散在表面活性剂溶液中，然后在纳米管聚合物溶液流中再冷凝。与大多数普通碳纤维相比，SWNT纤维可以强烈弯曲并且甚至紧密地系紧而不会断裂。虽然它们在张力下仍然很脆弱，但这些最近获得的SWNT纤维已经比高质量巴基纸强10倍，这是目前使用的主要宏观形式的SWNT纳米管（12）
我们使用的原材料是用电弧技术生产的（8）。该技术以少量纳米管束的形式产生SWNTs，以及一定比例的碳杂质和催化剂。将该材料在十二烷基硫酸钠（SDS）的水溶液中超声处理，所述十二烷基硫酸钠（SDS）是吸附在纳米管束表面的表面活性剂。在低表面活性剂浓度下，在超声处理后仍然发现初始材料的大而密集的簇。表面活性剂的用量太低，不足以产生有效的涂层，并诱发静电排斥，从而抵消范德华吸引力（13）。在更高的SDS浓度下，获得黑色和明显均匀的悬浮液。这些悬浮液在数周内不会粗化或宏观相分离。然而，正如光学显微镜（图1），电介质测量和冷冻断裂样品的电子显微镜所显示的那样，这些系统事实上可以呈现不同的相。在SDS的中等浓度下，SWNT均匀分散并形成单相。这些系统的粘度几乎是纯水的粘度。在这种情况下，吸附表面活性剂提供的静电斥力使纳米管对范德瓦尔斯吸引力稳定。然而，在更高的SDS浓度下，观察到反映轻团形成的质地。这些集群在几个星期内并没有变得粗糙。与分散的纳米管共存，这表明当表面活性剂浓度增加时发生吸引力的相互作用。 随着表面活性剂浓度的增加，团簇变得更大和更密集，并且悬浮液的粘度显着增加。 这种行为可能是由于水溶液中表面活性剂聚集体（称为胶束（13））浓度的增加。 胶束不能放入彼此接近的两束之间。 结果，束周围的胶束的渗透压产生有效的吸引力。 在经典胶体悬浮液（14）和多壁纳米管分散体（15）中，这种吸引力被称为耗尽吸引力。
在低SDS浓度下Van der Waals诱导的聚集和在高SDS浓度下耗尽诱导的聚集限定了均匀分散纳米管的中间结构域。 该相图的该畴在纳米管中约为0.35重量％（wt％），在SDS中为1.0wt％。 随后的处理步骤在该组成下进行了优化，因为它对应于我们可以获得均匀分散体的最大量的SWNT。
这些解决方案让人想起刚性聚合物（16）或各向异性胶体（17）的均匀溶液。因此它们对于在层流场中定向碳纳米管可能是有用的。为了制造永久性结构，我们的加工过程被设计成当纳米管束以给定流动的优先方向定向时，纳米管束彼此粘附在一起。通过将SWNT分散体注射到含有5重量％聚乙烯醇（PVA）（分子量70000;水解89％;溶液粘度200cP）的共聚物溶液的共流中得到纳米管聚集体。在最初由SDS稳定的悬浮液中加入PVA导致纳米管在静止时聚集，如在流动系统中一样。由于其两亲性，PVA可能吸附在管上并取代一些SDS分子。与SDS相比，PVA不能提供对范德华吸引力有效的稳定作用。如图2示意性所示，SWNT分散体通过注射针（直径0.5mm）或薄玻璃毛细管（具有0.5mmtimes;50mm或1mmtimes;100mm的矩形截面）缓慢注入。在这些条件下，对于刚性聚合物或各向异性胶体（16,17）的溶液，纳米管的流动诱导排列预计在流体速度的方向上。由于聚合物溶液比纳米管分散体更粘稠，因此我们可以预期毛细管末端的流动会产生剪切贡献;即速度场的垂直于流体速度的梯度。流动诱导的排列可能以某种方式由PVA溶液维持，因为它允许纳米管在它们从毛细管中出来时迅速粘在一起。该过程导致形成长条带，在没有流动的情况下保持稳定。它们的横截面与毛细管的横截面或注射器针的直径相同。但是，横截面的确切尺寸取决于注射速率和流动条件。定性地说，当共流聚合物溶液的速度降低并且注射速率增加时，带状物变得更厚和更大。这种行为强烈表明，除了剪切流动之外，拉伸流动也有重要贡献;即沿着流体速度的速度梯度。当以二维绘制时，色带形成螺旋。
因此，在几圈之后很难制造没有纠缠的长带。 通过从底部泵送聚合物溶液，可以轻松拉伸一米长的色带。 事实上，在这些条件下，带状物以三维螺旋结构的形式生长
我们使用交叉偏振片之间的光学显微镜来检查色带的各向异性。透射光强度取决于色带相对于偏振器光轴的相对取向（图3A）。该观察证实纳米管已经在流动中对齐，并且随着纳米管彼此粘附而保持优先取向。色带可以用纯水洗涤和清洗几次，以便PVA和SDS解吸。当沉积在平坦的基底上时，它们也可以被干燥。在干净和干燥的色带中仍观察到较弱的光学各向异性。尽管干燥产生了结构改变，但干燥带的扫描电子显微镜揭示了纳米管沿着带的主轴的优先取向。一张典型的照片如图4A所示。观察到纳米管束和大量的球形杂质。这些常见的杂质来自合成过程，主要由碳组成（8）。尽管存在，我们观察到纳米管束平均主要沿着带的主轴取向。为了使系统更紧凑，漂洗后的色带可悬挂在空气中，两端支撑在固体基材上。如图3B所示，毛细力导致水被排出，并且当干燥时，条带塌陷成半径为几微米的致密纤维。根据相同的原理，可以通过从水中慢慢拉出色带直接制成数十厘米长的纤维。
纤维的直径可以通过改变控制条带初始厚度的参数（注射速率，流动条件和毛细管尺寸）来控制。 通过改变这些参数，我们制造的纤维直径范围从几微米到100毫米不等。 典型纤维的扫描电子显微照片如图4B所示。 通过直接称量纤维并根据它们的尺寸计算它们的体积来估计它们的密度。 几种纤维的测量值在1.3 6 0.2和1.5 6 0.2 g / cm 3之间。 这些结果通过浮选法测量得到证实。 这种密度比经典巴基纸的密度大三倍左右，比原料（10）大两个数量级。
试图用SWNT纤维制成结表现出特别有趣的特征。当结被收紧时纤维不会破裂（图3C）。因此，光纤可以在几微米的范围内弯曲360°。与传统碳纤维相比，这种简单的观察表明了纳米管纤维的挠性和抗扭曲性。机械测量显示与传统碳纤维的另一个区别。 SWNT纤维在断裂之前在室温下表现出塑性行为。这可能是由纤维内纳米管的可能位移引起的。当纤维处于高拉伸负荷下时，曲线应变对应力的斜率减小（图5）。在弹性体系中，对于较小的变形，通过对几根纤维的测量，我们发现杨氏模量在9和15GPa之间变化。尽管远低于单个纳米管（3-5）的模量，但SWNT纤维的模量比高质量巴基纸（12）的模量大一个数量级。
最后，纤维横截面的扫描电子显微镜照片显示了本纤维的一个有趣特征。 可以区分两个不同的区域：一个定义明确的核心，主要包含SWNT和一个由球形碳颗粒组成的外壳（如图4，C和D所示）。 这些直接来源于原料的碳杂质随机分布在初始色带中（图4A）。 因此，纤维内部的分离应当在毛细作用力下纤维塌陷并从初始条带蒸发水分时发生。 这一特殊功能可能为SWNT的大规模纯化开辟了一条新途径。 外壳的化学，辐射或热移除可能直接导致纯化的SWNT
初步的四探针电测量在室温下具有约0.1欧姆 - 厘米的电阻率，并且在温度下降时具有非金属特性。 这个值比以前报道的单壁碳纳米管（18-21）大三个数量级，必须谨慎对待，因为存在碳颗粒的外壳
目前正在研究当纳米管类型，纯度，浓度，流量和注入条件的全相空间被探索时，目前正在研究当前带状物和纤维的机械和电性能。 进一步的研究也非常需要改进SWNT纤维的机械性能，可能通过化学或热处理。 更一般地说，本发明的方法也适用于由其他种类的分散颗粒制造纤维。 尽管它与通过拉伸或拉伸粘弹性流体制造微纤维的更经典的技术本质上不同（22），但它也可以容易地扩大用于大批量生产（23）。
参考文献：
1. G. Overney, W. Zhong, D. Z. Tomanek, Phys. D 27, 93 (1993).
2. D. H. Robertson, D. W. Brenner, J. W. Mintmire, Phys. Rev. B. 45, 12592 (1992).
3. M. M. J. Treacy, T. W. Ebbesen, J. M. Gibson, Nature 381, 678 (1996).
4. J. P. Salvetat et al., Phys. Rev. Lett. 85, 944 (1999).
5. M. R. Falvo et al., Nature 389, 582 (1997).
6. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (Academic Press, San Diego, CA, 1996).
7. A. Thess et al., Science 273, 483 (1996).
8. C. Journet et al., Nature 388, 756 (1997).
9. J. Chen et al., Science 282, 95 (1998).
10. A. G. Rinzler et al., Appl. Phys. A 67, 29 (1998).
11. An alternative method for making SWNT fibers has recently been published [H. H. Gommans et al., J. Appl. Phys. 88, 2509 (2000)].
12. R. H. Baughman et al., Science 284, 1340 (1999).
13. R. J. Hunter, Foundations of Colloid Science, vol. 1 (Oxford Univ. Press, Oxford, 1989).
14. S. Asakura, F. Oosawa, J. Chem. Phys. 22, 1255 (1954).
15. J. M. Bonard et al., Adv. Mat. 9, 827 (1997).
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