萊斯大學使用酸基溶劑，克服了碳納米管3D打印中的“意大利面”效應

2022年4月30日，南極熊獲悉，萊斯大學的研究人員開發(fā)了一種新型酸基溶劑，可以防止碳納米管纏在一起時產生的“意大利面條”效應。除了與傳統(tǒng)制造工藝兼容外，該溶劑還具有簡化碳納米管加工的潛力，從而能夠擴大工業(yè)3D打印和卷對卷工藝生產規(guī)模。

△萊斯大學開發(fā)適用于碳納米管的新型酸基溶劑。視頻來自萊斯大學Pasquali研究小組

萊斯大學化學和生物分子工程、化學和材料科學以及納米工程教授Matteo Pasquali說：“人們已經意識到，不斷增加銅、鋁和鎳礦的開采可能不是一個好主意�！暗�是，可以通過將碳氫化合物替代這些稀有金屬，“因此，我們需要盡可能擴大碳材料的使用范圍，從而取代金屬�！�

△當使用萊斯大學開發(fā)的溶劑進行處理時，在這張顯微鏡圖像中看到的類似“意大利面條”的碳納米管纏結將不再是問題。圖片來自萊斯大學Pasquali研究小組

3D打印碳納米管
該材料自1991年發(fā)現(xiàn)以來，不斷的被人們所關注。碳納米管強度比鋼強一百倍、比鉆石硬、導電性比銅高一千倍的新材料。并提出了關于碳納米管的一系列潛在工業(yè)應用，例如電子產品和水凈化過濾器等，目前都處于開發(fā)階段。

目前，碳納米管已用于樹脂填料中，適用于開發(fā)增強機械、導熱和導電性能的復合材料，然而，在3D打印的使用中仍面臨重大挑戰(zhàn)。

到目前為止，碳納米管材料已被用于3D打印形狀記憶聚合物，用于軟機器人應用，并且由于它們的生物相容性，還被用3D打印組織支架等。

去年4月，總部位于亞利桑那州的初創(chuàng)公司Mechnano推出了專為3D打印技術研發(fā)，基于碳納米管技術的防靜電 (ESD) 樹脂。該公司聲稱是第一家使用材料噴射和大桶光聚合系統(tǒng)制造碳納米管零件的公司，并相信該技術將為航空航天、國防、醫(yī)療和汽車等行業(yè)帶來“巨大變化”。

△一個3D打印的圓柱體完全由萊斯大學開發(fā)的碳納米管墨水制成。圖片來自萊斯大學Pasquali研究小組

酸基溶劑解開納米管“意大利面”纏結
處理碳納米管的問題之一是它們容易纏結，在打印過程中出現(xiàn)可怕的“意大利面條”效應，直到現(xiàn)在，這一直阻礙著研究人員充分發(fā)揮其材料潛力。根據萊斯大學團隊的說法，在3D打印過程中，分離納米管是解決該效應的有效方式。

基于以上問題，該團隊開發(fā)了一種酸基溶劑，有助于分離溶液中纏結的納米管，并將它們轉化為薄膜、纖維或其他具有優(yōu)異電氣和機械性能的材料。該溶劑由酸的獨特組合組成，即甲磺酸 (MSA)、對甲苯磺酸(pToS)和發(fā)煙酸，這些酸在組合時的腐蝕性低于目前在納米管加工中使用的那些。

以前，發(fā)煙硫酸和氯磺酸已被用于分離納米管，但它們具有很強的腐蝕性。現(xiàn)在將發(fā)煙硫酸與較弱的MSA和pToS酸相結合，創(chuàng)造了一種可廣泛適用于碳納米管部件的工藝。

“發(fā)煙硫酸圍繞著每個單獨的納米管，并在它局部產生正電荷，”參與這項研究的萊斯大學畢業(yè)生、殼牌現(xiàn)任研究科學家羅伯特·海德里克說�！斑@種效應使他們互相排斥�！�

在解決纏結之后，MSA和pToS酸進一步分離納米管。研究人員觀察到，MSA最適合纖維紡絲和卷對卷薄膜生產，而pToS適合3D打印，因為它的40攝氏度熔點允許納米管溶液在中等溫度下加工，然后通過冷卻固化.

△有關該研究的更多信息，請參閱發(fā)表在《科學進展》雜志上的題為“用于原始碳納米管組裝的多功能酸溶劑”的論文（點我傳送門）。圖片來自科學進展

然后，該團隊使用穩(wěn)定的液晶溶液對碳納米管氣凝膠進行3D打印，并將絲網印刷圖案打印到一系列不同的表面上。他們發(fā)現(xiàn)MSA和pToS在此過程中不會散發(fā)出有害煙霧，并且之后很容易清理。酸也可以在工藝完成后進行回收，從而降低對環(huán)境的影響和成本。

“我們使用的酸非常溫和，您可以將它們與普通塑料一起使用，”Headrick 補充道�！霸摷夹g為許多材料加工和印刷技術解決了技術難題。”

接下來的工作
該大學已得到了幾個重量級組織的支持，包括空軍科學研究辦公室、美國能源部、美國宇航局太空技術研究所和羅伯特·A·韋爾奇基金會。

研究小組的下一步工作是對溶劑進行微調，以適應不同的應用，并確定諸如手性(物體與鏡像的區(qū)別)和尺寸等因素如何影響納米管的處理。