Новый процесс, называемый гелевым электропрядением, описан в статье профессора химического машиностроения Массачусетского технологического института Грегори Ратледжа и постдока Джея Парка. Статья появится в Интернете и будет опубликована в февральском выпуске Journal of Materials Science.
В материаловедении, объясняет Рутледж, «есть много компромиссов."Обычно исследователи могут улучшить одну характеристику материала, но заметят ухудшение другой характеристики. «Сила и стойкость — это такая пара: обычно, когда вы получаете высокую силу, вы теряете что-то в стойкости», — говорит он. "Материал становится более хрупким и, следовательно, не имеет механизма поглощения энергии, и он имеет тенденцию ломаться."Но в волокнах, изготовленных с помощью нового процесса, многие из этих компромиссов устранены.
«Это большое дело, когда вы получаете материал, который имеет очень высокую прочность и высокую вязкость», — говорит Рутледж. Так обстоит дело с этим процессом, который использует вариант традиционного метода, называемого прядением геля, но добавляет электрические силы. В результате получаются ультратонкие волокна полиэтилена, которые соответствуют или превосходят свойства некоторых из самых прочных волокнистых материалов, таких как кевлар и Dyneema, которые используются для различных применений, включая бронежилет.
«Мы начали с миссии по производству волокон в другом диапазоне размеров, а именно ниже 1 микрона [миллионной доли метра], потому что они имеют множество интересных особенностей сами по себе», — говорит Рутледж. "И мы изучали такие ультратонкие волокна, иногда называемые нановолокнами, в течение многих лет.
Но не было ничего в том, что можно было бы назвать линейкой высокопроизводительных волокон.«Высокоэффективные волокна, которые включают арамиды, такие как кевлар, и полиэтилены, полученные из гелевого волокна, такие как Dyneema и Spectra, также используются в канатах для экстремальных целей и в качестве армирующих волокон в некоторых высокоэффективных композитах.
«За многие годы в этой области не произошло ничего нового, потому что у них есть очень эффективные волокна в этом механическом пространстве», — говорит Рутледж. Но этот новый материал, по его словам, превосходит все остальные. «Что действительно отличает их, так это то, что мы называем удельным модулем упругости и удельной прочностью.
Это означает, что в расчете на вес они превосходят практически все."Модуль означает, насколько жестким является волокно или насколько оно сопротивляется растяжению.
По сравнению с углеродными волокнами и керамическими волокнами, которые широко используются в композитных материалах, новые волокна из гелевого электропряденого полиэтилена имеют аналогичную степень прочности, но намного более жесткие и имеют более низкую плотность.
Это означает, что, фунт за фунтом, они намного превосходят стандартные материалы, говорит Рутледж.
Создавая этот ультратонкий материал, команда стремилась просто соответствовать свойствам существующих микроволокон, «поэтому продемонстрировать, что это было бы хорошим достижением для нас», — говорит Рутледж. На самом деле, материал оказался во многом лучше. Хотя тестируемые материалы имели модуль упругости не такой хороший, как у лучших существующих волокон, они были довольно близки — достаточно, чтобы быть «конкурентоспособными», — говорит он.
Что важно, добавляет он, «сильные стороны примерно в два раза лучше, чем у коммерческих материалов, и сравнимы с лучшими доступными академическими материалами. И их выносливость примерно на порядок лучше."
Исследователи все еще выясняют, чем объясняются такие впечатляющие результаты. «Кажется, это то, что мы получили в подарок с уменьшенным размером волокон, чего мы не ожидали», — говорит Рутледж.
Он объясняет, что «большинство пластиков жесткие, но они не такие жесткие и прочные, как то, что мы получаем."Стекловолокно жесткое, но не очень прочное, а стальная проволока прочная, но не очень жесткая. Новые гелевые электропряденые волокна, кажется, сочетают в себе желаемые качества прочности, жесткости и ударной вязкости способами, которые не имеют равных.
Использование процесса электропрядения из геля «по существу очень похоже на обычный процесс [прядения геля] с точки зрения материалов, которые мы вводим, но поскольку мы используем электрические силы» и использование одностадийного процесса, а не нескольких стадий. традиционного процесса, «мы получаем гораздо более сильно вытянутые волокна» с диаметром в несколько сотен нанометров, а не с типичными 15 микрометрами, говорит он. Процесс исследователей сочетает использование полимерного геля в качестве исходного материала, как в случае волокон, спряденных из геля, но для вытягивания волокон используются электрические силы, а не механическое вытягивание; заряженные волокна вызывают процесс нестабильности "взбивания", который приводит к их ультратонким размерам. И эти узкие размеры, как оказалось, привели к уникальным свойствам волокон.
Эти результаты могут привести к созданию защитных материалов, которые будут такими же прочными, как существующие, но менее громоздкими, что сделает их более практичными. И, добавляет Рутледж, «у них могут быть приложения, о которых мы еще не думали, потому что мы только что узнали, что они обладают таким уровнем прочности."
Исследование поддержано U.S.
Армия через Центр исследований, разработок и инженерии Natick Soldier и Институт солдатских нанотехнологий, а также Центр материаловедения и инженерии Национального научного фонда.