米乐m6中国官方网站 开发出低环境影响碳纳米管复合纤维素纤维，强度和伸长率接近高强人造丝

8408_8618人造丝8664_8686碳纳米管我们开发了复合纤维素纤维。

为了保证自动驾驶过程中的安全，汽车即使在行驶过程中爆胎也可以继续行驶一定的距离泄气保用轮胎是必须的。目前，防爆轮胎主要由人造丝制成，以保持其形状。轮胎代码被使用。人造丝是一种纤维素纤维，在制造过程中对环境造成很大影响，这是一个问题。然而，使用不太环保的方法制造的其他纤维素纤维的伸长率低于人造丝。韧性其性能较差，尚未开发出人造丝的替代品。

新开发的碳纳米管复合纤维素纤维的强度和伸长率接近高强度人造丝，同时减少了制造过程中对环境的影响。作为轮胎帘线中人造丝的替代品，它具有巨大的潜力，并且将其引入防爆轮胎将支持自动驾驶系统的推广。

此研究结果的详细信息将于 2024 年 6 月 21 日发布。复合材料 B 部分：工程

如果自动驾驶汽车技术变得普遍，预计只有驾驶技能或汽车知识有限的人才会乘坐汽车。如果在这种情况下轮胎漏气，就很难安全行驶，因此自动驾驶汽车需要使用防爆轮胎。缺气保用轮胎是一种轮胎，其侧面有一个结构，可以保持轮胎的形状，即使在发生刺穿的情况下也可以行驶一定的距离。保持轮胎形状的轮胎帘线主要由聚酯和尼龙等纤维制成，但人造丝是纤维素纤维的一种，具有高伸长率和韧性，并且不易因热而导致性能劣化，因此特别广泛用于防爆轮胎。

在人造丝制造过程中，使用剧毒的二硫化碳（CS）作为溶剂。₂）。二硫化碳具有高度挥发性，在人造丝制造过程中无法完全回收，因此一定量的二硫化碳会释放到大气中，引发人们对其对环境影响的担忧。使用可回收溶剂代替二硫化碳制造的纤维素纤维在制造过程中对环境影响较小且强度较高，但其伸长率和韧性不如人造丝，因此不具备足够的性能作为人造丝的替代品。为了使缺气保用轮胎得到普及，并使自动驾驶汽车变得普遍，预计将开发出一种对环境影响较小且性能可与人造丝相媲美的纤维材料。

2000 左右，可回收离子液体制造纤维素纤维的方法已提出作为溶剂（离子液体溶剂法），但所得纤维的伸长率和韧性达不到高强人造丝的水平，因此提高机械性能成为一个问题。因此，我们将注意力转向碳纳米管，它被认为是优异的增强材料。一般来说，添加增强材料会增加材料强度，但会降低伸长率。这次，为了获得作为轮胎帘线的足够的机械性能，我们研究了用作增强材料的碳纳米管束的尺寸和数量。

请注意，此项研发由国家研究开发总公司进行学会/示范开发/轮胎帘线用碳纳米管复合溶剂法纤维素纤维的开发”（2021-2024财年）。

为了将碳纳米管引入到使用离子液体溶剂法的纤维素纤维生产过程中，需要将原料纤维素溶解在溶剂中并使碳纳米管分散。已知离子液体能够均匀分散碳纳米管，并且与这两种原材料相容（图1a）。然而，在传统方法中，碳纳米管被一根一根地分散直到它们被分离，这往往导致碳纳米管破裂并且质量劣化。因此，为了发挥碳纳米管固有的增强效果，我们将它们作为多个碳纳米管束分散在离子液体中，同时保持其质量。图1b是由分散体制备的碳纳米管复合纤维素纤维的照片。如图1c所示，通过添加01质量％的碳纳米管，我们能够在保持纤维素纤维强度的同时将伸长率提高30％，并且将韧性（在拉伸测试曲线中表示为伸长率和强度的积分）提高40％。图 1d 显示了纤维伸长率取决于分散体中碳纳米管束的尺寸。这里的尺寸是通过离心沉降测得的斯托克斯直径（与样品具有相同沉降速度和密度的球形颗粒的直径）。研究发现，在约400至800 nm的尺寸范围内，纤维素纤维的伸长率增加，但强度保持不变。如上所述，我们通过调整碳纳米管束的尺寸并添加它们，成功地实现了强度和伸长率的兼顾。此外，纤维纺丝速度（最大卷绕速度）提高了30%，从而提高了生产率。因此，我们发现，通过添加适量的含有尺寸优化的碳纳米管束的分散体，可以提高纤维素纤维的机械性能和生产率，同时减少对环境的影响。我们认为碳纳米管原材料的选择对于提高这些性能也很重要。未来，这种碳纳米管复合纤维素纤维有望用于防爆轮胎和其他旨在广泛使用自动驾驶汽车的产品。

添加增强材料通常会增加材料的强度和模量，但会降低其伸长率和韧性。另一方面，增塑剂软化材料并增加伸长率和韧性，但代价是降低强度和模量。众所周知，当向材料中添加另一种成分以提高其机械性能时，强度和韧性是矛盾的。本研究中使用的碳纳米管比纤维素具有更高的强度，因此将它们添加到纤维素中有望提高所获得的复合材料的强度。本研究生产的碳纳米管复合纤维素纤维在保持强度的同时提高了伸长率和韧性。通过对纤维的结构分析，我们通过使碳纳米管束的直径与纤维素纤维的中间分层结构（约10至100 nm）相似并将其均匀分布在整个纱线中，成功地产生了增强效果（图2abc）。迄今为止，人们对添加各种增强剂和功能剂的纤维素纤维进行了研究，但力学性能主要集中在强度和弹性模量上，而像本例那样添加增强剂的增强效果的报道很少。与报道的含有各种碳纳米管（01至50质量%）和其他增强材料如二氧化硅（1至50质量%）的纤维素纤维相比，本研究的纤维表现出最高的强度。

为了了解这项研究对于轮胎帘线开发的意义，图2d显示了未添加增强材料的纤维素纤维（研发产品和商业产品）的伸长率和强度之间的关系。尽管使用离子液体溶剂法可以获得超过1000MPa的高强度，但其难以拉伸且不具有足够的伸长率以用作轮胎帘线。另一方面，用于服装等的市售产品强度低并且易于拉伸，因此它们的强度不足以用作轮胎帘线。本研究开发的碳纳米管复合纤维素纤维的强度和伸长率与轮胎帘线中使用的高强度人造丝相当。

概览图是基于本研究基于碳纳米管和纤维素结构分析的纤维结构模型。如图所示，当纱线横截面中碳纳米管束的直径调整到与微纤维（纤维素纤维的中间分层结构）相同的程度（~100 nm）时，产生了增强效果。据推测，纤维伸长率的提高是由于碳纳米管和微纤维的疏水表面之间的滑移，以及由于微纤维之间发生的氢键的断裂和重组而导致的滑移，如纤维素纤维结构中所提出的。

未来，我们计划开发实用的制造工艺，并对所得复合纤维进行原型设计，与轮胎制造商合作，并由轮胎制造商对原型进行评估。

已出版的杂志：复合材料 B 部分：工程
标题：单壁碳纳米管的纳米填料效应可延长、增韧并加速生产离子液体干喷湿纺纤维素纤维
作者姓名：Kazufumi Kobashi、Takahiro Morimoto、Minfang 张、Takushi Sugino、Toshiya Okazaki、Junya Tsujino、Hideki Kajita、Yasuyuki Isojima 和 Yasuo Gotoh
DOI：https://doiorg/101016/jcompositesb2024111643

人造丝

纤维素纤维是通过将木浆等原材料溶解在化学品中而再生的。与由石油制成的聚酯和尼龙等合成纤维不同，它们是由自然资源制成的。[返回来源]

碳纳米管

直径为04至100纳米、长度为1至数十微米、仅由碳原子组成的一维纳米碳材料。其化学结构以滚动的石墨层连接在一起为代表，只有一层的称为单壁碳纳米管，多层的称为多壁碳纳米管。[返回参考源]

泄气保用轮胎

即使轮胎漏气且气压降至零，也能以 80 公里/小时的速度行驶 80 公里。由于轮胎漏气行驶时会产生热量，因此所用材料必须具有优异的耐热性。[返回来源]

轮胎代码

保持轮胎形状的增强纤维，具有承受轮胎所受到的负载、冲击和气压的作用。根据轮胎的类型和尺寸使用聚酯、尼龙、芳纶、人造丝等。[返回来源]

韧性

材料在拉伸试验中断裂所需的能量，表示为应力-应变曲线的内部面积。[返回来源]

离子液体

仅由离子组成的物质，在约100℃以下的低温下以液体形式存在。[返回来源]