一种高强度,兼具导电、导热和光热等性能的高取向石墨烯气凝胶纤维及织物

 

织物是人类生产生活的必需品,从最早的动物毛发到天然棉麻再发展到现代文明的人造高性能纤维,伴随着人类文明的进步而高速发展。气凝胶纤维兼具了气凝胶材料低密度、高孔隙率及纤维材料强韧、灵活的优点,在隔热、阻燃和智能穿戴等领域展现出巨大的潜力。石墨烯气凝胶纤维以其优异的力学性能、导电性能、导热性能、电热性能和光热性能等特性,成为新一代功能化智能织物的优选材料。zHE兆毅咨询

近期,浙江大学高超教授和许震研究员团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Plastic-swelling Preparation of Functional Graphene Aerogel Fiber Textiles”的研究成果。该工作采用预编织物的塑化溶胀法制备了高性能石墨烯气凝胶纤维织物,系统阐述了高取向石墨烯气凝胶纤维的制备方法,突破了石墨烯基高性能气凝胶纤维难以编织及规模应用的困境。该方法简便高效,获得的石墨烯气凝胶纤维织物具有高强度(113 MPa)和多功能应用,为高性能石墨烯气凝胶纤维织物的制备和发展奠定了基础。zHE兆毅咨询

石墨烯气凝胶纤维作为发展最早的一种气凝胶纤维,由氧化石墨烯溶液经由液晶纺丝技术和冷冻干燥技术获得。然而,其不稳定的无序多孔网络结构限制了石墨烯气凝胶力学、导电和导热等性能的发展,使其难以以织物的形式得到广泛应用。该工作提出的塑化溶胀法如图1所示,基于成熟塑化拉伸技术制备高取向的氧化石墨烯纤维,并将纤维丝束编织成织物,通过溶剂进行塑化溶胀,对溶胀的氧化石墨烯凝胶纤维织物进行预还原、冷冻干燥和高温还原处理,最终获得石墨烯气凝胶纤维织物。zHE兆毅咨询

图1 塑化溶胀制备石墨烯气凝胶纤维示意图zHE兆毅咨询

塑化溶胀法可以使制备的气凝胶纤维保持其前驱体固态氧化石墨烯纤维的取向度,通过塑化溶胀可以获得高取向的气凝胶纤维(图2),相比于传统的液晶纺丝法,取向度的提高强化了氧化石墨烯多孔网络的搭接强度,提升了力学强度和比强度。zHE兆毅咨询

图2 (a)塑化溶胀法的取向优势示意图,3种气凝胶纤维的 (b-e) 取向度、 (f) 拉伸曲线和(g)比强度zHE兆毅咨询

基于塑化溶胀机理,通过调节塑化溶胀浴的组成,即改变溶剂的极性,可以有效调节氧化石墨烯凝胶纤维的溶胀率,进而大范围调控气凝胶纤维的密度、孔隙率等结构参数,突破了传统液晶纺丝法的密度限制(图3)。经过化学还原和高温热处理后,随着密度增加,石墨烯气凝胶纤维的力学强度和导电率逐步提升,单根石墨烯气凝胶纤维的力学强度最高可达103 MPa,导电率可达1.06 × 104 S/m。zHE兆毅咨询

图3 氧化石墨烯凝胶纤维的(a-b)溶胀率、(c)密度和孔隙率、(d)断面SEM照片, 不同密度的还原氧化石墨烯气凝胶纤维和石墨烯气凝胶纤维的(e)强度、(f)导电率,(g)不同材料的气凝胶纤维比强度zHE兆毅咨询

溶剂极性会影响预编织物在塑化溶胀浴中的形态结构。如图4所示,溶剂极性较强时,氧化石墨烯气凝胶纤维的溶胀率较大,结构强度降低,单根纤维在溶胀浴中容易断裂,破坏了织物结构的完整性;随着溶剂极性的降低,氧化石墨烯凝胶纤维的溶胀率下降,凝胶强度提升,可以保持预编织物结构的完整性。zHE兆毅咨询

图4 溶胀浴极性对织物结构稳定性的影响zHE兆毅咨询

石墨烯气凝胶纤维织物兼具了石墨烯优异的传导电热性质、光热和导热性质,在热管理和防护领域展现出巨大优势。通过施加远低于人体安全的电压,即可改变织物的表面温度;通过外界阳光照射,可以调节织物的表面温度;通过复合相变材料(如聚乙二醇分子量4000),结合石墨烯的电热性能,可以有效存储和释放能量(图5)。zHE兆毅咨询

图5 石墨烯气凝胶纤维织物在(a-c)电热、(d-f)光热和(g-i)相变复合储能领域的应用zHE兆毅咨询

研究成果及展望:zHE兆毅咨询
综上所述,塑化溶胀法为气凝胶纤维的宏量制备提供了新途径。通过塑化溶胀法可实现高性能、多功能石墨烯气凝胶纤维织物在能源、吸附、催化、储能和防护等领域的应用,符合未来多功能、低能耗和可持续发展的目标。但是,仍存在需要突破的难点,如气凝胶纤维的孔径控制等。未来,石墨烯基气凝胶纤维会在智能穿戴防护领域展现出巨大的潜力。zHE兆毅咨询

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