石墨烯纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能和多功能特性，在能量收集、電磁屏蔽、超級電容器、柔性電池、傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通常情況下，采用濕法紡絲組裝氧化石墨烯前驅(qū)體，再經(jīng)還原處理來制備宏觀石墨烯纖維。然而，結(jié)構(gòu)缺陷和氧化石墨烯納米片的不完全還原往往會阻礙氧化石墨烯纖維的發(fā)展，導(dǎo)致不理想的抗拉強度和電導(dǎo)率。因此，研究者們提出了許多方法來優(yōu)化石墨烯纖維的性能，但是，在整個過程中仍存在能耗高、處理繁瑣等問題。目前，通過一種簡單有效、可規(guī)模化生產(chǎn)的方法來加工高性能的石墨烯纖維仍然是一個挑戰(zhàn)。
近日，北京化工大學(xué)研究人員通過優(yōu)化氧化石墨烯納米片的表面化學(xué)，提出了一種可規(guī)模化且無添加劑的濕紡絲方法，可用于制備高性能的石墨烯纖維，為高性能、多功能石墨烯纖維和柔性可穿戴設(shè)備的制備提供了一種簡單、高效和可規(guī)模化的方法。
研究人員將氧化石墨烯紡絲液注入醋酸溶液中凝固，實現(xiàn)氧化石墨烯纖維濕法紡絲。通過調(diào)整噴嘴直徑和拉伸比可進一步優(yōu)化氧化石墨烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)和性能。最后，將連續(xù)凝固的纖維抽出并收集在滾筒上進行干燥。與傳統(tǒng)Hummers法制備的氧化石墨烯（h-GO）相比，該工作制備的氧化石墨烯（f-GO）表面端基更少，特別是僅有微量的羧基。由于層間相互作用更強，更容易形成液晶并構(gòu)建緊湊有序的排列。
f-GO、f-GO纖維和還原f-GO纖維的制備工藝
f-GO的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其濕法紡絲性能
f-GO纖維的直徑高度依賴于噴嘴的大小。細(xì)針的剪切力較強，可以有效對齊GO納米片，在纖維中形成高度定向且緊密堆疊的結(jié)構(gòu)，有利于力學(xué)性能的提高。隨著噴嘴直徑的減小，纖維的拉伸強度、楊氏模量和韌性均顯著增加。為了改善GO納米片在f-GO纖維中的排列和取向，使其呈現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能，可以通過控制拉伸比來調(diào)節(jié)納米片在纖維中的取向。f-GO纖維的排列順序和取向度的改善，特別是在高拉伸比下，具有良好的力學(xué)性能。在1.75的拉伸比下，最大平均抗拉強度可達(dá)791.7 MPa，韌性可達(dá)8.3MJ/m3。此外，f-GO纖維具有優(yōu)異的抗疲勞性能，在最大拉應(yīng)力為400 MPa的情況下，循環(huán)10次后，纖維的抗拉強度和韌性保持率分別為79.9%和55.6%。小噴嘴直徑和高拉伸比的協(xié)同效應(yīng)可以顯著改善f-GO纖維的力學(xué)性能，使其優(yōu)于大多數(shù)純GO纖維及其增強衍生物。
紡絲參數(shù)對f-GO纖維力學(xué)性能的影響
在相對較高的溫度下，GO電導(dǎo)率的改善與更高的還原活性和更快的速率有關(guān)。簡單的化學(xué)還原可以使f-GO纖維的電導(dǎo)率達(dá)到105S/m以上。還原的f-GO纖維（在30℃時還原）也具有出色的抗疲勞性能和穩(wěn)定性，在200 MPa的最大應(yīng)力下，經(jīng)過100次拉伸-釋放循環(huán)后，其電導(dǎo)率的保持率高達(dá)98.1%。通過平衡拉伸強度和導(dǎo)電性，還原的f-GO纖維與其他化學(xué)還原的GO基纖維相比具有顯著優(yōu)勢。此外，還原f-GO纖維還具有電加熱響應(yīng)快、功耗低的特點，可與商用纖維混紡制備導(dǎo)電耐磨織物，有望用于電熱毯、可加熱防寒服裝和柔性耐磨熱理療織物等。
還原f-GO纖維的電性能和力學(xué)性能
該研究為高性能石墨烯纖維和柔性可穿戴設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)提供了一條全新的途徑，并以“Tough,Strong, and Conductive Graphene Fibers by Optimizing Surface Chemistry ofGraphene Oxide Precursor”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
