如何精細(xì)控制石墨烯片的構(gòu)象來(lái)消除無(wú)規(guī)褶皺是進(jìn)一步提升石墨烯纖維綜合性能的重要挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題,浙江大學(xué)高超、許震教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)馬維剛教授團(tuán)隊(duì)合作,立足石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)調(diào)控及結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。他們提出“溶劑插層塑化拉伸結(jié)晶”方法,開(kāi)發(fā)了一種級(jí)聯(lián)增塑紡絲技術(shù),有效消除了石墨烯片層的褶皺,促進(jìn)了石墨烯片層近似晶體的有效排列,進(jìn)一步提升了石墨烯纖維的綜合性能。
熱塑化是制備高性能聚合物纖維的重要特征,受此啟發(fā),研究人員在氧化石墨烯(GO片層)間插層各種增塑劑,使其發(fā)生彈塑性轉(zhuǎn)變,塑形明顯增大。增塑之前石墨烯纖維的拉伸應(yīng)變僅為5%(彈性區(qū)域2%,塑性區(qū)域3%);插入增塑劑后(如80%的乙酸),拉伸應(yīng)變達(dá)34%,彈性區(qū)域幾乎不變,而塑性區(qū)域達(dá)到32%。射線衍射(XRD)分析其層間距明顯增大,并得到其層間距與拉伸應(yīng)變的相關(guān)性,通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)分析,從石墨烯層間距、褶皺構(gòu)象的角度,得到插層調(diào)控的石墨烯片層間距誘導(dǎo)石墨烯纖維的塑性轉(zhuǎn)變。
進(jìn)而,研究人員建立了制備高結(jié)晶度石墨烯纖維的級(jí)聯(lián)增塑紡絲工藝,級(jí)聯(lián)拉伸保持纖維紡絲的連續(xù)性。進(jìn)一步對(duì)GO纖維進(jìn)行石墨化處理,數(shù)據(jù)表明,增塑紡絲石墨烯纖維多尺度結(jié)晶有序結(jié)構(gòu)和較大的晶體尺寸,賦予了其優(yōu)異的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度,且隨SR(鍶)增加而明顯增大:SR為32%時(shí),其拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為3.4 GPa和341.7 GPa,比未增塑石墨烯纖維強(qiáng)度高200%。因此,利用該方法制備的纖維具有很高的機(jī)械強(qiáng)度(3.4 GPa)、電導(dǎo)率(1.19×106S/m)和熱導(dǎo)率(1480W/mK),初步具備結(jié)構(gòu)功能一體化的性能優(yōu)勢(shì),展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。