技术加持下天然橡胶变身多种新材料

  [中国经济网2022-09-16]
  天然橡胶是重要的工业弹性原料，其优异的综合性能使其具有不可替代性，研发新型天然橡胶复合材料是延伸其应用领域、拓展其应用范围的有效途径。近日，科技日报记者从中国热带农业科学院（以下简称热科院）获悉，该院加工所天然橡胶加工研究室在新型天然橡胶复合材料领域连续取得重要进展。
  研发高导电复合纤维
  迈科烯（MXene）具有极高的赝电容性能，是制备储能纤维的优选材料。但是利用纯MXene制备的纤维韧性差，很难满足特殊材料可编制的要求，限制了其大规模生产和应用。热科院加工所天然橡胶加工研究室科研团队通过在MXene纤维中引入碳纳米管（CNTs），利用界面调控和湿法纺丝技术，突破了高韧性MXene纤维制备技术，研制出了高韧性、高强度、高导电的MXene/CNT复合纤维。
  研究成果以“碳纳米管增强的高韧性、高导电MXene纤维状超级电容器”为题发表在国际学术期刊《碳》上。
  在此基础上，该科研团队通过优化配方、调整工艺，突破了超细天然橡胶纤维和高导电MXene/天然橡胶复合纤维制备技术。此纤维直径小于200微米，比3根头发丝还细，拉断伸长率高达1200%。
  科研团队负责人陶金龙博士表示，基于天然橡胶的连续超细多功能弹性纤维技术的攻破，为发展“绿色”超高弹性、可编织和可穿戴的纤维状弹性电子元件提供了良好的基础。
  造出可绘制电路的墨水
  MXene是制备导电电路和电子柔性器件的理想材料之一，但是水溶性的MXene溶液因在室温下容易被氧化而不能长期保存。
  针对上述问题，热科院加工所天然橡胶加工研究室科研团队通过溶剂复配策略，突破了室温下可稳定保存的MXene油墨制备技术，研制了具有良好流动性和书写能力的MXene油墨，并成功用圆珠笔在柔性基板上绘制电路。这种电路具有快速、准确的触摸性，并可以与水位测量响应，在柔性电子技术领域存在潜在应用价值。
  该研究以“可直接书写柔性电子产品的环境稳定MXene墨水”为题发表在纳米科学技术研究学术期刊《纳米尺度》上。据悉，该科研团队正在抓紧推动成果转化，开展“基于天然橡胶/MXene的可印刷柔性复合导电墨水”关键技术研发。
  论文第一作者孔娜博士表示，与含有机溶剂墨水相比，该复合导电墨水可充分发挥天然胶乳水溶液绿色环保的优势，实现天然橡胶在柔性功能材料领域的应用。
  制备高导电多孔泡沫
  构筑高功率密度且充放电速度快的储能器件是发展便携式电子设备的关键。MXene作为新型二维高导电材料，其超高电容、良好的机械强度在储能器件设计方面展现出独特的优势。然而，分子间活性降低，阻碍了电子的转移。
  针对上述问题，热科院加工所天然橡胶加工研究室科研团队采用牺牲模板法成功制备出具有高度互连孔道的MXene泡沫，丰富的孔道结构有效地扩大了比表面积，为层间的电子移动提供了足够多的有效位点，加快了电子转移速率。
  热科院加工所张吉振博士介绍，相较于目前商用化的超级电容器，由MXene泡沫所制备的超级电容器表现出了远高于传统电容器的电化学性能，尤其是在功率和能量密度上实现了大的突破。
  该研究成果以“解析孔径尺寸对MXene泡沫电化学电容性能的影响”为题发表在纳米材料领域国际学术期刊《Small》上。此外，该科研团队以天然橡胶泡沫和MXene为材料构筑了具有良好灵敏度和传感区间的柔性应变传感器。
  热科院有关负责人表示，热科院加工所天然橡胶加工研究室已经在高性能特种天然橡胶原胶加工领域取得重大突破，该研究室还新增设立了新型天然橡胶复合材料方向，目的是进一步挖掘天然橡胶性能，拓展其应用领域。（科技日报记者 王祝华 实习生 曲怡 臻通讯员 谢翔）