一种可规模化且无添加剂的制备超韧导电石墨烯纤维的方法

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2022-04-26

石墨烯纤维具有优异的力学性能和多功能特性,在能量收集、电磁屏蔽、超级电容器、柔性电池、传感器等领域具有广阔的应用前景。通常情况下,采用湿法纺丝组装氧化石墨烯前驱体,再经还原处理来制备宏观石墨烯纤维。然而,结构缺陷和氧化石墨烯纳米片的不完全还原往往会阻碍氧化石墨烯纤维的发展,导致不理想的抗拉强度和电导率。因此,研究者们提出了许多方法来优化石墨烯纤维的性能,但是,在整个过程中仍存在能耗高、处理繁琐等问题。目前,通过一种简单有效、可规模化生产的方法来加工高性能的石墨烯纤维仍然是一个挑战。

近日,北京化工大学研究人员通过优化氧化石墨烯纳米片的表面化学,提出了一种可规模化且无添加剂的湿纺丝方法,可用于制备高性能的石墨烯纤维,为高性能、多功能石墨烯纤维和柔性可穿戴设备的制备提供了一种简单、高效和可规模化的方法。

研究人员将氧化石墨烯纺丝液注入醋酸溶液中凝固,实现氧化石墨烯纤维湿法纺丝。通过调整喷嘴直径和拉伸比可进一步优化氧化石墨烯纤维的微观结构和性能。最后,将连续凝固的纤维抽出并收集在滚筒上进行干燥。与传统Hummers法制备的氧化石墨烯(h-GO)相比,该工作制备的氧化石墨烯(f-GO)表面端基更少,特别是仅有微量的羧基。由于层间相互作用更强,更容易形成液晶并构建紧凑有序的排列。

f-GO、f-GO纤维和还原f-GO纤维的制备工艺

f-GO的化学结构及其湿法纺丝性能  f-GO纤维的直径高度依赖于喷嘴的大小。细针的剪切力较强,可以有效对齐GO纳米片,在纤维中形成高度定向且紧密堆叠的结构,有利于力学性能的提高。随着喷嘴直径的减小,纤维的拉伸强度、杨氏模量和韧性均显著增加。为了改善GO纳米片在f-GO纤维中的排列和取向,使其呈现出最佳的力学性能,可以通过控制拉伸比来调节纳米片在纤维中的取向。f-GO纤维的排列顺序和取向度的改善,特别是在高拉伸比下,具有良好的力学性能。在1.75的拉伸比下,最大平均抗拉强度可达791.7 MPa,韧性可达8.3MJ/m3。此外,f-GO纤维具有优异的抗疲劳性能,在最大拉应力为400 MPa的情况下,循环10次后,纤维的抗拉强度和韧性保持率分别为79.9%和55.6%。小喷嘴直径和高拉伸比的协同效应可以显著改善f-GO纤维的力学性能,使其优于大多数纯GO纤维及其增强衍生物。纺丝参数对f-GO纤维力学性能的影响

在相对较高的温度下,GO电导率的改善与更高的还原活性和更快的速率有关。简单的化学还原可以使f-GO纤维的电导率达到105S/m以上。还原的f-GO纤维(在30℃时还原)也具有出色的抗疲劳性能和稳定性,在200 MPa的最大应力下,经过100次拉伸-释放循环后,其电导率的保持率高达98.1%。通过平衡拉伸强度和导电性,还原的f-GO纤维与其他化学还原的GO基纤维相比具有显著优势。此外,还原f-GO纤维还具有电加热响应快、功耗低的特点,可与商用纤维混纺制备导电耐磨织物,有望用于电热毯、可加热防寒服装和柔性耐磨热理疗织物等。还原f-GO纤维的电性能和力学性能  该研究为高性能石墨烯纤维和柔性可穿戴设备的大规模生产提供了一条全新的途径,并以“Tough,Strong, and Conductive Graphene Fibers by Optimizing Surface Chemistry ofGraphene Oxide Precursor”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

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