干法纺丝与湿法纺丝的区别(干法纺丝和湿法纺丝的本质区别)

自2011年首次报告以来,石墨烯纤维在其机械性能、电学、和热导率方面取得了显着进步。这些有趣属性的整合使它们在多功能织物中的应用前景广阔、能量收集、电磁干扰屏蔽、超级电容器、柔性电池、传感器等。通常,宏观石墨烯

自 2011 年首次报告以来,石墨烯纤维在其机械性能、电学、和热导率方面取得了显着进步。这些有趣属性的整合使它们在多功能织物中的应用前景广阔、能量收集、电磁干扰屏蔽、超级电容器、柔性电池、传感器等。通常,宏观石墨烯纤维可以通过湿法纺丝来组装氧化石墨烯 (GO) 前体,然后进行还原处理。然而,结构缺陷和 GO 纳米片的不完全还原往往阻碍了 GO 纤维的发展,导致不令人满意的拉伸强度(即≈140 MPa)和≈104 S m -1数量级的电导率

来自北京化工大学的学者通过优化氧化石墨烯(GO)片的表面化学并控制其纺丝和组装行为,提出了一种可扩展的无添加剂湿法纺丝方法,可用于生产坚固、强韧和导电的原始石墨烯纤维。得益于GO具有较少的表面端接和低结构缺陷(f-GO),原始的f-GO纤维具有紧凑有序的微观结构和强大的层间相互作用,并且由于拉伸诱导的增韧行为,本文实现了具有创纪录的791.7 MPa高拉伸强度和24.0 MJ m-3的高韧性。在轻度化学还原后,还原的f-GO纤维继承了优化的微观结构,具有875.9 MPa的突出拉伸强度和13.3 MJ m-3的高韧性。此外,f-GO片材上可修复的结构缺陷允许立即恢复固有的共轭结构,从而提供1.06 ×105 S m?1的出色导电性。因此,本研究为制造高性能和多功能石墨烯纤维和柔性可穿戴器件提供了一种简单,高效且可扩展的方法。相关文章以“Tough, Strong, and Conductive Graphene Fibers by Optimizing Surface Chemistry of Graphene Oxide Precursor”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202112156

干法纺丝与湿法纺丝的区别(干法纺丝和湿法纺丝的本质区别)

干法纺丝与湿法纺丝的区别(干法纺丝和湿法纺丝的本质区别)

图1. a) f-GO纳米片的AFM图像。b) XPS 宽光谱和 c) f-GO 和 h-GO 的 XPS C1s 光谱。d) f-GO 和 h-GO 的 FTIR 光谱和 e) 从 FT-IR 光谱衍生的官能团的比率。f)本文所提出的h-GO纳米片和f-GO纳米片的结构特征. g)25 mg mL?1 的 f-GO 和 h-GO 分散体的粘度与剪切速率的关系图。h) f-GO分散体的POM图像(25mg mL?1)。i)f-GO纤维的形态和结构:i1)5米f-GO纤维的数码照片,i2)纤维横截面形态的SEM图像,i3)扭曲的纤维,以及i4)捆绑的纤维结。

干法纺丝与湿法纺丝的区别(干法纺丝和湿法纺丝的本质区别)

图2. a)拉伸断裂前f-GO(顶部)和h-GO(底部)纤维表面形貌的SEM图像。红色框架在拉伸之前标记了小的偏转皱纹。b) 纺丝、凝胶化和干燥后获得的不同皱纹形态的f-GO(上)和h-GO(下)纤维的示意图。c)h-GO纤维-21G和f-GO纤维-21G的应力-应变曲线。d) 拉伸断裂后f-GO(上)和h-GO(下)纤维表面形貌的扫描电镜图像。拉伸断裂后e)f-GO纤维和f)h-GO纤维横截面形貌的SEM图像。红色框架表示 GO 工作表的拉出。g) 拉伸拉伸下f-GO纤维的断裂机理。

干法纺丝与湿法纺丝的区别(干法纺丝和湿法纺丝的本质区别)

图3. a) 用21G、22G和24G喷嘴制备的f-GO纤维表面形貌的SEM图像.b)用不同喷嘴制备的f-GO纤维的拉伸应力-应变曲线。c) 不同喷嘴制造的f-GO纤维的拉伸强度和韧性比较。d) 不同拉伸比制备的f-GO纤维-27G表面形貌的扫描电镜图像。e)方位扫描WAXS图案,显示具有不同拉丝比的f-GO光纤-27G的全宽图像。f) 拉伸应力-应变曲线,以及不同拉伸比下 f-GO 纤维-27G 的拉伸强度和韧性统计图。h) 最大应力为400 MPa时,f-GO光纤(27G-DR = 1.50)的动态应力-应变曲线。i) f-GO纤维的拉伸强度、应变和韧性与其他GO纤维的比较。

干法纺丝与湿法纺丝的区别(干法纺丝和湿法纺丝的本质区别)

图4. a) 通过不同的还原温度处理还原的 f-GO 纤维 (27G-DR = 1.50) 的电导率和 b) 机械性能。c) 还原的f-GO纤维-30°C纤维在最大应力为200 MPa下的循环应力-应变曲线。d) 减少的f-GO纤维与报告的化学还原的GO纤维之间的机械和电气性能的比较。e)输入电压范围为0.5至3 V的降低的f-GO纤维-20°C(长度为1厘米)的焦耳热性能。f)将还原的f-GO纤维编织成商用织物,得到用于手指关节热物理治疗的导电织物,相关热成像图片显示了导电织物良好的加热性能。

本文通过优化GO前驱体的表面化学性质并控制纺丝和组装行为,展示了一种可扩展且易移动的坚固,坚韧和高导电性的原始石墨烯纤维湿法纺丝。优化的f-GO具有较少的结构缺陷和易于去除的含氧基团,表现出良好的可纺性和流动性。通过优化纺丝条件,所得的f-GO纤维沿轴向呈现出更好的取向和排列顺序,使湿纺原始f-GO纤维具有791.7 MPa的抗拉强度和8.3 MJ m?3的韧性。此外,通过温和的化学还原有效地去除了f-GO片材上的氧官能团,使纤维具有875.9 MPa的超高拉伸强度和1.06×105 S m?1的出色导电性,优于大多数化学还原的GO纤维。通过使用更大的GO纳米片和合适的纺丝条件,可以进一步增强原始GO纤维及其还原对应物的结构和性能。这项工作为高性能石墨烯纤维和柔性可穿戴器件的大规模生产提供了一条崭新的有前途的途径。(文:SSC)

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