石墨烯纖維具有優(yōu)異的綜合性能，是一種很有發(fā)展前途的碳質(zhì)纖維。以前的實驗室研究主要集中在單纖維原型上，但石墨烯纖維長絲的可擴(kuò)展制造仍然幾乎沒有被探索過。在這里，我們報道了具有高強(qiáng)度和優(yōu)異導(dǎo)熱性的石墨烯纖維長絲的大規(guī)模工業(yè)制造。在可伸縮濕紡絲過程中，我們引入了階梯式溶劑插入塑料拉伸，以改善前驅(qū)體氧化石墨烯纖維長絲的均勻性、密度和結(jié)構(gòu)秩序。化學(xué)還原和高溫石墨化恢復(fù)了石墨烯的原子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了長絲的大尺寸石墨晶體。石墨烯纖維長絲的抗拉強(qiáng)度為1.4 GPa，密度為1.93 g/cm
3，電導(dǎo)率為4.1 × 10
5 S/m，導(dǎo)熱系數(shù)為1204 W/mK。石墨烯纖維長絲的制備為其在紡織品和復(fù)合材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，溶劑插層塑料拉伸法可作為制備二維材料高性能纖維長絲的通用方法。
圖1.GOFFs的制備工藝a) GOFFs連續(xù)濕紡裝置;b) 100孔噴絲板特寫;c)塑化浴中100長絲的GO纖維;d)將GOFFs收集到石墨收集器上;e) GOFFs的SEM圖像;f)石墨卷軸上大型GOFFs數(shù)字圖像;g)改性石墨烯纖維長絲(紅線)和新生石墨烯纖維長絲(藍(lán)線)的整體力學(xué)和輸運特性。b)、c)、d)、e)、f)中的比例尺分別為20mm、100mm、35mm、500 μm、30mm。
圖2: rGOFFs的微觀結(jié)構(gòu)和性能a)濕法紡絲過程中氧化石墨烯薄片的轉(zhuǎn)變及相應(yīng)階段示意圖;b)塑化浴中不同EtOH含量下GOFFs的拉伸比-Ⅰ和不同EtOH含量下GOFFs的整體拉伸比-Ⅱ;c) SR為0%，比例尺分別為50 μm、50 μm和10 μm的rGOFFs的SEM圖像;d) SR為12%，比例尺分別為200 μm、100 μm和10 μm的rgoff的SEM圖像;e) SR為21%，比例尺分別為200 μm、50 μm和10 μm的rGOFFs的SEM圖像;f)不同SRs rGOFFs的表面取向度(SOD)分布;g)不同SRs rgoff的SOD值;h)具有不同SRs的rGOff的SAXS模式;i)不同sr的rGOFFs的XRD譜圖;j)不同SRs的rGOFFs密度和取向度;k)不同sr的rGOFFS的抗拉強(qiáng)度和模量。
圖3. gff的微觀結(jié)構(gòu)與性能a)石墨烯卷筒上采集的rgoff的數(shù)字圖像，標(biāo)尺為2 cm, 2 mm;b)石墨烯卷軸上采集的gff數(shù)碼照片，比例尺為2 cm, 2 mm;c) GOFFs、rGOFFs和GFFs在1200°c和2800°c退火時的拉曼光譜;d) 1200°C和2800°C退火的GOFFs、rGOFFs和GFFs的XPS光譜;e) GFFs -0%、GFFs -12%、GFFs -21%的SEM圖像，比例尺為50 μm;f)不同SRs的GFFs的SAXS模式;g)不同sr的gff的XRD譜圖;h)不同SRs的GFFs密度和取向度;i)不同SRs下GFFs的拉應(yīng)力曲線;j)不同srr下GFFs的抗拉強(qiáng)度和模量。
圖4. GFFs的熱性能a)激光閃光法測量導(dǎo)熱系數(shù)原理示意圖;b)纖維樣件及樣件支架示意圖及數(shù)字圖，比例尺5mm;c)不同SRs下GFFs的導(dǎo)熱系數(shù);d) GFFs -21%與其他金屬纖維、PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維、碳納米管纖維和石墨烯纖維單絲的導(dǎo)熱系數(shù)比較。
相關(guān)研究成果由浙江大學(xué)
Zhen Xu、Yingjun Liu和
Chao Gao等人2024年發(fā)表在Carbon (鏈接: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118947)上。原文：Large-scale preparation of thermally conductive graphene fiber filaments
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
