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(shí)驗(yàn)室研究主要集中在單纖維原型上，但石墨烯纖維長(zhǎng)絲的可擴(kuò)展制造仍然幾乎沒(méi)有被探索過(guò)。在這里，我們報(bào)道了具有高強(qiáng)度和優(yōu)異導(dǎo)熱性的石墨烯纖維長(zhǎng)絲的大規(guī)模工業(yè)制造。在可伸縮濕紡絲過(guò)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)絲的大尺寸石墨晶體。石墨烯纖維長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)絲(紅線)和新生石墨烯纖維長(zhǎng)絲(藍(lán)線)的整體力學(xué)和輸運(yùn)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(guò)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(shí)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(cè)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(hào)
