技術(shù)加持下,天然橡膠變身多種新材料
◎本報(bào)記者 王祝華 實(shí) 習(xí) 生 曲怡臻 通訊員 謝 翔
天然橡膠是重要的工業(yè)彈性原料,其優(yōu)異的綜合性能使其具有不可替代性,研發(fā)新型天然橡膠復(fù)合材料是延伸其應(yīng)用領(lǐng)域、拓展其應(yīng)用范圍的有效途徑。近日,科技日?qǐng)?bào)記者從中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱熱科院)獲悉,該院加工所天然橡膠加工研究室在新型天然橡膠復(fù)合材料領(lǐng)域連續(xù)取得重要進(jìn)展。
研發(fā)高導(dǎo)電復(fù)合纖維
邁科烯(MXene)具有極高的贗電容性能,是制備儲(chǔ)能纖維的優(yōu)選材料。但是利用純MXene制備的纖維韌性差,很難滿足特殊材料可編制的要求,限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。熱科院加工所天然橡膠加工研究室科研團(tuán)隊(duì)通過在MXene纖維中引入碳納米管(CNTs),利用界面調(diào)控和濕法紡絲技術(shù),突破了高韌性MXene纖維制備技術(shù),研制出了高韌性、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電的MXene/CNT復(fù)合纖維。
研究成果以“碳納米管增強(qiáng)的高韌性、高導(dǎo)電MXene纖維狀超級(jí)電容器”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《碳》上。
在此基礎(chǔ)上,該科研團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化配方、調(diào)整工藝,突破了超細(xì)天然橡膠纖維和高導(dǎo)電MXene/天然橡膠復(fù)合纖維制備技術(shù)。此纖維直徑小于200微米,比3根頭發(fā)絲還細(xì),拉斷伸長(zhǎng)率高達(dá)1200%。
科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人陶金龍博士表示,基于天然橡膠的連續(xù)超細(xì)多功能彈性纖維技術(shù)的攻破,為發(fā)展“綠色”超高彈性、可編織和可穿戴的纖維狀彈性電子元件提供了良好的基礎(chǔ)。
造出可繪制電路的墨水
MXene是制備導(dǎo)電電路和電子柔性器件的理想材料之一,但是水溶性的MXene溶液因在室溫下容易被氧化而不能長(zhǎng)期保存。
針對(duì)上述問題,熱科院加工所天然橡膠加工研究室科研團(tuán)隊(duì)通過溶劑復(fù)配策略,突破了室溫下可穩(wěn)定保存的MXene油墨制備技術(shù),研制了具有良好流動(dòng)性和書寫能力的MXene油墨,并成功用圓珠筆在柔性基板上繪制電路。這種電路具有快速、準(zhǔn)確的觸摸性,并可以與水位測(cè)量響應(yīng),在柔性電子技術(shù)領(lǐng)域存在潛在應(yīng)用價(jià)值。
該研究以“可直接書寫柔性電子產(chǎn)品的環(huán)境穩(wěn)定MXene墨水”為題發(fā)表在納米科學(xué)技術(shù)研究學(xué)術(shù)期刊《納米尺度》上。據(jù)悉,該科研團(tuán)隊(duì)正在抓緊推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化,開展“基于天然橡膠/MXene的可印刷柔性復(fù)合導(dǎo)電墨水”關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。
論文第一作者孔娜博士表示,與含有機(jī)溶劑墨水相比,該復(fù)合導(dǎo)電墨水可充分發(fā)揮天然膠乳水溶液綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)天然橡膠在柔性功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
制備高導(dǎo)電多孔泡沫
構(gòu)筑高功率密度且充放電速度快的儲(chǔ)能器件是發(fā)展便攜式電子設(shè)備的關(guān)鍵。MXene作為新型二維高導(dǎo)電材料,其超高電容、良好的機(jī)械強(qiáng)度在儲(chǔ)能器件設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而,分子間活性降低,阻礙了電子的轉(zhuǎn)移。
針對(duì)上述問題,熱科院加工所天然橡膠加工研究室科研團(tuán)隊(duì)采用犧牲模板法成功制備出具有高度互連孔道的MXene泡沫,豐富的孔道結(jié)構(gòu)有效地?cái)U(kuò)大了比表面積,為層間的電子移動(dòng)提供了足夠多的有效位點(diǎn),加快了電子轉(zhuǎn)移速率。
熱科院加工所張吉振博士介紹,相較于目前商用化的超級(jí)電容器,由MXene泡沫所制備的超級(jí)電容器表現(xiàn)出了遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器的電化學(xué)性能,尤其是在功率和能量密度上實(shí)現(xiàn)了大的突破。
該研究成果以“解析孔徑尺寸對(duì)MXene泡沫電化學(xué)電容性能的影響”為題發(fā)表在納米材料領(lǐng)域國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Small》上。此外,該科研團(tuán)隊(duì)以天然橡膠泡沫和MXene為材料構(gòu)筑了具有良好靈敏度和傳感區(qū)間的柔性應(yīng)變傳感器。
熱科院有關(guān)負(fù)責(zé)人表示,熱科院加工所天然橡膠加工研究室已經(jīng)在高性能特種天然橡膠原膠加工領(lǐng)域取得重大突破,該研究室還新增設(shè)立了新型天然橡膠復(fù)合材料方向,目的是進(jìn)一步挖掘天然橡膠性能,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。
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