碳纳米管 (CNT) 纱线因其重量轻且用途广泛，在智能纺织品行业和多功能复合材料中备受青睐。然而，由于碳纳米管在 CNT 排列内部的松散包装，其生产非常具有挑战性。

发表在ACS Applied Nano Materials杂志上的一项研究报告称，使用丙酮通过湿法压缩成功完成了碳纳米管纱线的致密化，产生了出色的机械质量和显着的欧姆加热性能。

什么是碳纳米管纱？

研究人员最近专注于使用碳纳米管为智能纺织品提供许多复杂的功能。

碳纳米管细丝是由碳纳米管的紧密堆积和排列形成的。数十或数百根平行的碳纳米管细丝可以组装成宏观级的碳纳米管纱线，具有优异的抗拉强度、弹性模量、导热和导电性能。

另一方面，结构限制，包括碳纳米管组件中的高孔隙率和松散包装，导致碳纳米管组件的机电性能低于单个碳纳米管。

在宏观层面上获得单个 CNT 特性的挑战

已经探索了不同的技术，例如张力感应和退火、扭曲、溶剂或聚合物渗透以及毛细管致密化，以在宏观尺度上再现优异的单个碳纳米管质量。这些技术使用通过提高整体范德华力来改善碳纳米管束之间的负载转移的原理。

虽然这些努力成功地提高了碳纳米管纱线的强度，但它们要么被限制在临界水平的捻度，要么由于 CNT 纱线的初始圆柱形状转变为带状形式而受到损害，在表面形态。

聚合物渗透通过增加碳纳米管之间的负载转移来提高机械和应变测量质量。然而，由于聚合物的绝缘行为，在不影响弹性和导电性的情况下，成功渗透到碳纳米管组件内部是非常具有挑战性的。

提高宏观碳纳米管纱线的质量

物理致密化是通过增加范德华力和缩小宏观碳纳米管纱线以及单个碳纳米管之间的间隙来增强碳纳米管束之间负载传递的有效且简便的方法。

这种方法已通过使用辊子来压制碳纳米管纱线或通过将 CNT 纱线拉过许多金刚石线模来使用。这种方法导致碳纳米管纱线具有出色的拉伸强度；然而，带状结构的小直径限制了它们在纺织工业中的应用。

碳纳米管的高弹性模量和储存的排斥力有助于碳纳米管组件（如 CNT 纱线）快速从变形中恢复。因此，只有在外力的帮助下才能获得紧密的排列。

为什么使用丙酮？

丙酮是一种表面张力降低的有机溶剂。优异的润湿性和对碳纳米管纱线的强亲和力使丙酮成为减少 CNT 间相互作用的理想选择。

丙酮迅速渗入碳纳米管细丝，占据碳纳米管束之间的内部空间和孔洞，起到润滑剂的作用。因此，在压缩和拉伸功能期间，CNT 纱线内的润湿的单个碳纳米管可以很容易地滑动、重组和压缩，并具有增强的轴向排列。

研究结果

该团队在本研究中开发了一种用于纺织应用的加捻碳纳米管纱线。他们通过在丙酮的影响下同时压缩和拉紧 CNT 纱线，使用了一种简便的致密化工艺。

丙酮渗透的碳纳米管纱线内部碳纳米管束的致密排列分别增加了 887.5% 和 185% 的弹性模量和拉伸强度。开发的碳纳米管纱线的大直径使其适合在纺织应用中进行商业使用。

与压制方法相比，在加捻碳纳米管纱线的压制过程中用丙酮润滑代表了碳纳米管纱线的电气、机械和感官性能的关键进步。

此外，所开发的碳纳米管纱线在电压仅为 3 伏的情况下具有显着的欧姆加热能力，证明了其在可穿戴治疗设备和纺织品中的应用前景。