莱斯大学使用酸基溶剂，克服了碳纳米管3D打印中的“意大利面”效应

2022年4月30日，南极熊获悉，莱斯大学的研究人员开发了一种新型酸基溶剂，可以防止碳纳米管缠在一起时产生的“意大利面条”效应。除了与传统制造工艺兼容外，该溶剂还具有简化碳纳米管加工的潜力，从而能够扩大工业3D打印和卷对卷工艺生产规模。

△莱斯大学开发适用于碳纳米管的新型酸基溶剂。视频来自莱斯大学Pasquali研究小组

莱斯大学化学和生物分子工程、化学和材料科学以及纳米工程教授Matteo Pasquali说：“人们已经意识到，不断增加铜、铝和镍矿的开采可能不是一个好主意。“但是，可以通过将碳氢化合物替代这些稀有金属，“因此，我们需要尽可能扩大碳材料的使用范围，从而取代金属。”

△当使用莱斯大学开发的溶剂进行处理时，在这张显微镜图像中看到的类似“意大利面条”的碳纳米管缠结将不再是问题。图片来自莱斯大学Pasquali研究小组

3D打印碳纳米管
该材料自1991年发现以来，不断的被人们所关注。碳纳米管强度比钢强一百倍、比钻石硬、导电性比铜高一千倍的新材料。并提出了关于碳纳米管的一系列潜在工业应用，例如电子产品和水净化过滤器等，目前都处于开发阶段。

目前，碳纳米管已用于树脂填料中，适用于开发增强机械、导热和导电性能的复合材料，然而，在3D打印的使用中仍面临重大挑战。

到目前为止，碳纳米管材料已被用于3D打印形状记忆聚合物，用于软机器人应用，并且由于它们的生物相容性，还被用3D打印组织支架等。

去年4月，总部位于亚利桑那州的初创公司Mechnano推出了专为3D打印技术研发，基于碳纳米管技术的防静电 (ESD) 树脂。该公司声称是第一家使用材料喷射和大桶光聚合系统制造碳纳米管零件的公司，并相信该技术将为航空航天、国防、医疗和汽车等行业带来“巨大变化”。

△一个3D打印的圆柱体完全由莱斯大学开发的碳纳米管墨水制成。图片来自莱斯大学Pasquali研究小组

酸基溶剂解开纳米管“意大利面”缠结
处理碳纳米管的问题之一是它们容易缠结，在打印过程中出现可怕的“意大利面条”效应，直到现在，这一直阻碍着研究人员充分发挥其材料潜力。根据莱斯大学团队的说法，在3D打印过程中，分离纳米管是解决该效应的有效方式。

基于以上问题，该团队开发了一种酸基溶剂，有助于分离溶液中缠结的纳米管，并将它们转化为薄膜、纤维或其他具有优异电气和机械性能的材料。该溶剂由酸的独特组合组成，即甲磺酸 (MSA)、对甲苯磺酸(pToS)和发烟酸，这些酸在组合时的腐蚀性低于目前在纳米管加工中使用的那些。

以前，发烟硫酸和氯磺酸已被用于分离纳米管，但它们具有很强的腐蚀性。现在将发烟硫酸与较弱的MSA和pToS酸相结合，创造了一种可广泛适用于碳纳米管部件的工艺。

“发烟硫酸围绕着每个单独的纳米管，并在它局部产生正电荷，”参与这项研究的莱斯大学毕业生、壳牌现任研究科学家罗伯特·海德里克说。“这种效应使他们互相排斥。”

在解决缠结之后，MSA和pToS酸进一步分离纳米管。研究人员观察到，MSA最适合纤维纺丝和卷对卷薄膜生产，而pToS适合3D打印，因为它的40摄氏度熔点允许纳米管溶液在中等温度下加工，然后通过冷却固化.

△有关该研究的更多信息，请参阅发表在《科学进展》杂志上的题为“用于原始碳纳米管组装的多功能酸溶剂”的论文（点我传送门）。图片来自科学进展

然后，该团队使用稳定的液晶溶液对碳纳米管气凝胶进行3D打印，并将丝网印刷图案打印到一系列不同的表面上。他们发现MSA和pToS在此过程中不会散发出有害烟雾，并且之后很容易清理。酸也可以在工艺完成后进行回收，从而降低对环境的影响和成本。

“我们使用的酸非常温和，您可以将它们与普通塑料一起使用，”Headrick 补充道。“该技术为许多材料加工和印刷技术解决了技术难题。”

接下来的工作
该大学已得到了几个重量级组织的支持，包括空军科学研究办公室、美国能源部、美国宇航局太空技术研究所和罗伯特·A·韦尔奇基金会。

研究小组的下一步工作是对溶剂进行微调，以适应不同的应用，并确定诸如手性(物体与镜像的区别)和尺寸等因素如何影响纳米管的处理。