以石墨烯纖維為代表的碳基纖維因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、透氣性、柔韌性、阻燃性、質(zhì)輕等特點(diǎn)，在功能性織物、儲(chǔ)能組件、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域備受關(guān)注。 自2011年景展院長(zhǎng)課題組通過(guò)干法紡絲技術(shù)獲得第一根純石墨烯纖維以來(lái)，石墨烯纖維的熱性能和電性能取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 目前石墨烯纖維的最佳導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率已達(dá)到S/m(Gao's, Adv..2016, 28, 6449-6456.)和/mK(Lian's, 2015, 349, 1083-1087.)。

圖1 干法紡絲制備石墨烯纖維

為了進(jìn)一步將優(yōu)異性能的石墨烯纖維推向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，最直接有效的途徑就是制備石墨烯纖維織物。 石墨烯纖維作為典型的碳基纖維，表現(xiàn)出數(shù)學(xué)和物理惰性，在不添加粘合劑的情況下，通過(guò)常規(guī)手段很難實(shí)現(xiàn)纖維之間的強(qiáng)相互作用，導(dǎo)致織物的綜合性能遠(yuǎn)高于織物的水平。單根石墨烯纖維。

鑒于此，四川大學(xué)院長(zhǎng)課題組在連續(xù)干法紡絲的基礎(chǔ)上研發(fā)了“濕法熔融組裝技術(shù)”（wet-）來(lái)制備石墨烯短纖維。 自熔現(xiàn)象使隨機(jī)取向的短石墨烯纖維在重疊節(jié)點(diǎn)處熔合在一起，成功研制出第一種由純石墨烯纖維組成的無(wú)紡布。

圖2 制備工藝流程圖

其制備工藝主要包括三個(gè)步驟：

1）氧化石墨烯短纖維的連續(xù)干法紡絲和預(yù)干燥；

2）氧化石墨烯短纖維干法熔融組裝生產(chǎn)無(wú)紡布結(jié)構(gòu)；

3)氧化石墨烯纖維無(wú)紡布還原并經(jīng)3000℃高溫石墨化處理得到石墨烯纖維無(wú)紡布。

該制備方法需要注意三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1）以氧化石墨烯短纖維連續(xù)紡絲作為無(wú)紡布的結(jié)構(gòu)單元；

2）通過(guò)兩步干燥過(guò)程控制纖維的收縮，保持織物的結(jié)構(gòu)；

3）通過(guò)纖維的熔合，使纖維之間產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的纖維網(wǎng)絡(luò)。

圖3 氧化石墨烯纖維及制備的石墨烯纖維非織造布的干法熔融組裝過(guò)程

最終制備的全石墨烯纖維無(wú)紡布由隨機(jī)取向的石墨烯短纖維組成。 無(wú)紡布具有微孔、重量輕、具有良好的柔韌性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 其最大的創(chuàng)新之處在于，石墨烯纖維通過(guò)干熔組裝的方式在重疊接頭處熔合，極大地改善了纖維之間的相互作用。

圖4 石墨烯纖維非織造布的微觀結(jié)構(gòu)

這些全石墨烯纖維非織造布的面內(nèi)電導(dǎo)率約為S/m，導(dǎo)熱率達(dá)到301 W/mK。 由于其密度低至0.22g/cm-3，其比熱導(dǎo)率和比電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報(bào)道的碳納米管薄膜和石墨烯薄膜，甚至低于單根石墨烯纖維。

圖 5. 導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性

基于以上優(yōu)異性能，石墨烯纖維無(wú)紡布可用作能源領(lǐng)域的電極材料、快速高效的電熱織物、吸收有機(jī)物的吸油紙等。 與商用電加熱裝置相比，石墨烯纖維無(wú)紡布具有熱響應(yīng)快、工作濕度高等明顯優(yōu)勢(shì)，有望在可穿戴電加熱領(lǐng)域大顯身手。 無(wú)紡布對(duì)有機(jī)物的吸附能力和吸附率明顯優(yōu)于商用吸油氈，同時(shí)受益于較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可能比三元吸油氈更適合實(shí)際吸油應(yīng)用。三維碳?xì)饽z。

圖6 石墨烯纖維非織造布的電加熱和吸油應(yīng)用

此外，構(gòu)成無(wú)紡布的石墨烯纖維結(jié)構(gòu)具有高度可設(shè)計(jì)性，這使得高性能、多功能石墨烯纖維織物在電熱、吸附、能源、催化、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

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