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(jí)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(huì)阻礙氧化石墨烯纖維的發(fā)展，導(dǎo)致不理想的抗拉強(qiáng)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(gè)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)�；a(chǎn)的方法來加工高性能的石墨烯纖維仍然是一個(gè)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)�；覠o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(shí)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，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(qiáng)，可以有效對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)衍生物。
紡絲參數(shù)對(duì)f-GO纖維力學(xué)性能的影響
在相對(duì)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(shí)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(qiáng)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(shì)。此外，還原f-GO纖維還具有電加熱響應(yīng)快、功耗低的特點(diǎn)，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。
