技術(shù)加持下 天然橡膠變身多種新材料

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(guò)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(guò)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(wèn)題，熱科院加工所天然橡膠加工研究室科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)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(kāi)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(wèn)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。

責(zé)任編輯：任九