Science：这种聚丙烯腈纤维力学性能媲美蜘蛛丝

碳纤维增强的聚合物是一种质量轻、强度高的材料，可用于制造例如飞机机身等。目前超过96%的商用碳纤维是由聚丙烯腈前驱体纤维通过高温加热和拉伸这两个过程获得的。在这个过程中，聚丙烯腈（PAN）环化，形成梯形结构然后碳化，形成最终的无序结构。碳纤维的强度和刚度极大地取决于前驱体纤维的组成，受到包括孔洞、杂质颗粒在内的缺陷的制约。一般来说，抗拉强度和韧性两者不能兼顾。近日，德国拜罗伊特大学Andreas Greiner等研究者利用二叠氮聚乙二醇（PEG-BA）作为交联分子，使PAN纤维具有优异的抗拉强度和韧性，抗拉强度高达1236 ± 40 MPa，韧性高达137 ± 21 J/g。相关成果发表在Science 期刊上。

制备过程分为三步：首先将商业化PAN（和丙烯酸甲酯的共聚物）和PEG-BA（PEG-BA相对于PAN的质量分数为0-6%）的溶液进行静电纺丝形成纱线，然后将纱线在160 ℃的空气中进行拉伸，最后将拉伸后的纱线在120 ℃、130 ℃和140 ℃下以及张力的作用下进一步退火数小时，得到最终的纱线。

高强度纤维制备过程。图片来源：Science

静电纺丝过程。图片来源：University of Bayreuth

随着PEG-BA含量的增加，拉伸后的纱线的最大应力和模量略微降低，但韧性略微提高。然而，当静电纺丝的溶液含有PEG-BA时，退火这个步骤对纱线的韧性有显著的影响。130 ℃退火4小时能使纱线具有最大的强度、模量和韧性。当PEG-BA含量为4%、拉伸比（拉伸后的长度：拉伸前的长度）为8、130 ℃退火4小时时，最终纱线的抗拉强度为1236 ± 40 MPa，抗拉模量为13.5 ± 1.1 GPa，韧性为137 ± 21 J/g，和蜘蛛丝相似。13.5 GPa的抗拉模量接近无规结晶PAN纤维的理论极限值。尽管它的质量非常小（0.008 mg），但它却能重复承受30 g的重物而不断裂，只伸长了2.5%。即使它在5000个循环、最大拉伸强度为400 MPa的拉伸测试后，最终拉伸强度只下降5.3%，以及发生轻微的塑性变形。过多的PEG-BA反而有不利影响。过多的PEG-BA会形成PEG微相。PEG微相是缺陷结构，会降低最终纱线的机械性能。PEG-BA由4%增加到5%和6%，最终纱线的强度和韧性下降。

研究者通过研究发现，热拉伸这个过程能显著提高纱线内部的结晶度，而退火这个过程不会显著提高纱线内部的结晶度。退火过程中的张力对于结晶度非常重要。如果退火过程中不施加张力，退火过程中的高温会导致纱线内部产生剧烈的热运动，使结晶度下降，降低纱线的机械性能。研究者还证实了PAN和PEG-BA发生了化学反应。PAN的氰基和PEG-BA交联，形成梯形结构，对于纱线的机械性能来说非常重要。

纤维纱线的照片及电镜图片。图片来源：Science

Andreas Greiner教授表示，他们的研究成果为新型的、具有前瞻性的材料打开了大门，有望在不久的将来在工业上得到实际应用。在聚合物科学中，他们的研究成果将能够为进一步研究和开发高性能功能材料提供有价值的服务。^[1]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials

Xiaojian Liao, Martin Dulle, Juliana Martins de Souza e Silva, Ralf B. Wehrspohn, Seema Agarwal, Stephan Förster, Haoqing Hou, Paul Smith, Andreas Greiner

Science, 2019, 366, 1376-1379, DOI: 10.1126/science.aay9033

参考资料：

1. Light, strong, and tough: Researchers at the University of Bayreuth discover unique polymer fibres

https://www.uni-bayreuth.de/en/university/press/press-releases/2019/160-polymer-fibres/index.html

（本文由幻影供稿）