碳纳米管纤维，100%回收！

科技 2025-01-25 18:21 河北

在全球面临日益严峻的环保挑战之际，科学家们正在努力开发更加高效且可持续的材料，碳纳米管纤维正是其中的一个突破性创新。这种新型材料不仅拥有卓越的机械、电学和热学性能，还能在回收过程中保持原有性能，为解决传统材料的回收难题提供了全新思路。

金属、塑料和碳纤维是工业中广泛使用的材料，但它们在生产和回收时存在诸多问题。金属虽然理论上可以多次回收，但由于其合金成分复杂，分离和纯化过程需要高能耗且成本高昂。塑料，尤其是热塑性塑料，在回收过程中容易发生性能退化，限制了其重复利用的范围。而热固性塑料几乎无法回收，因为它们在加热时会形成不可逆的化学键。至于碳纤维，其生产过程需要高温和复杂化学反应，回收后性能损失严重，这使得其高昂的成本很难被低价值的再生材料所弥补。

碳纳米管以其超高强度、优异的导电性和导热性而闻名，碳纳米管纤维能够进一步发挥其优势。而现在又为材料回收带来了新的希望——因为其纤维结构中只涉及物理结合，而没有传统材料中的不可逆化学键，因此碳纳米管纤维在回收过程中不会损失任何性能。

创新的回收技术

研究人员通过实验验证了碳纳米管纤维的回收可行性。他们将两种不同来源的碳纳米管分别制备成纤维，再将这些纤维溶解在强氧化性溶剂（如氯磺酸）中，混合后重新纺成再生纤维。令人惊讶的是，再生纤维的机械强度、电导率和热导率与初始纤维几乎完全相同。

这种回收技术的核心是溶液纺丝工艺的可逆性。碳纳米管在溶剂中形成均匀的液晶相，这种独特的结构确保了纤维在重新制备时仍能保持原有的性能。与传统材料复杂的化学和物理处理过程不同，碳纳米管纤维的回收过程简单、高效且环保。

碳纳米管纤维的性能远远优于许多传统材料。它的导电性能可以媲美铜，但密度却只有铜的四分之一，这使得它在需要轻质高效导电材料的领域极具吸引力。此外，碳纳米管纤维的强度接近甚至超过高性能碳纤维，同时表现出更高的柔韧性。研究人员可以通过调整碳纳米管的长度、直径和排列方式，进一步优化纤维性能以满足不同需求。

在实验中，研究人员使用拉曼光谱和电子显微镜对再生纤维进行了表征，发现其内部结构紧密且排列有序，这解释了其性能的稳定性。无论是在电学、机械还是热学性能上，再生纤维都展现出与原始纤维相媲美的表现。

推动循环经济

碳纳米管纤维的完全回收特性为实现循环经济提供了新的可能。相比传统材料，这种纤维的生产和回收过程都更加高效且低耗。例如，碳纳米管的合成还可以副产清洁氢气，从而进一步降低碳排放。同时，其简单的回收过程能够显著减少废弃物处理的复杂性和成本。

这种材料尤其适合那些需要高性能和长寿命的应用场景，比如航空航天领域的结构件、汽车工业中的轻量化部件以及高端电子设备中的导电元件。碳纳米管纤维在这些领域的应用将有效降低对不可回收材料的依赖，推动整个行业向更加环保的方向转型。

尽管碳纳米管纤维展现出了巨大的潜力，但要实现大规模商业化应用，仍需克服一些挑战。首先，高质量碳纳米管的制备成本仍然较高，需要进一步优化合成技术以降低成本。其次，溶液纺丝过程中使用的强酸溶剂具有一定的危险性，未来需要开发更加环保且安全的替代溶剂。此外，在工业生产中如何确保大规模生产的纤维性能一致性也是一个关键问题。

碳纳米管纤维以其卓越的性能和完全回收的特性，为材料科学开辟了全新的方向。它不仅在性能上超越了许多传统材料，更为实现真正的材料循环利用提供了技术基础。随着技术的不断进步，碳纳米管纤维有望在多个工业领域中广泛应用，为绿色经济和可持续发展做出重要贡献。

原文：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119899

信息来源：Carbontech

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