石墨烯复合纤维的开发与应用

石墨烯及其复合材料近年来成为研究热点,目前对石墨烯复合纤维材料的潜在应用已有大量研究,如储能材料、转换设备、传感器、导线等。与石墨烯基气溶胶和石墨烯复合膜等多维材料相比,石墨烯复合纤维的机械性能和导电性能突出。此外,石墨烯复合纤维可以弯曲、打结,甚至织成柔性导电织物。本文综述了石墨烯复合纤维的主要制备方法、性能及应用,并对这一领域的发展进行了展望。     

石墨烯功能复合纤维的结构与性能研究进展北大核心

石墨烯功能复合纤维在不同化学组分的基础上,通过多种加工方法展现出多元化外观和内部结构,呈现不同的功能性。因此,石墨烯功能复合纤维具有很大的研究潜力和应用前景。讨论了石墨烯功能复合纤维的研究方向和重点,指出石墨烯功能复合纤维的研究应着眼于高科技产品的关键组成部分,实现石墨烯作为战略性新兴产业新材料的科学价值。     

天竹/石墨烯纤维抗菌面料的生产

针对天竹纤维和石墨烯纤维不同的性能,分析了两种纤维不同的混纺比例和浆纱工艺参数对混纺面料性能的影响,测试了染色后织物的色牢度和抗菌性能。结果发现:采用85/15比例混纺的天竹/石墨烯面料,条干CV值为12.64%;上浆时浆槽温度要控制在90～95℃,控制纱线上浆率12.5%;染整加工后织物耐皂洗色牢度达到3～4级以上,耐干/湿摩擦色牢度分别为3～4级和3级,尺寸稳定性好,抑菌率达到72%以上。     

石墨烯与纤维的高性能化

石墨烯是纤维材料的理想增强体,其在聚合物中的分散及与聚合物基体的相互作用是复合纤维制备的关键因素。从石墨烯／ 纤维复合纺丝工艺出发,介绍了国内外石墨烯纳米复合纤维的研究进展。主要包括石墨烯的性质及功能化改性工艺,石墨烯纤维以及石墨烯与聚合物复合制备复合纤维的制备方法,并讨论了石墨烯与柔性链聚合物纤维和刚性链聚合物纤维的纳米复合过程的不同。目前石墨烯／ 聚合物基复合纤维因成本高、制备工艺复杂,尚处于研究阶段,但随着工艺的不断发展,未来可在航天航空轻质复合材料、导电纤维及耐热纤维等领域发挥重要的作用。     

生物质石墨烯聚乳酸纤维的制备及性能研究

将生物质石墨烯聚乳酸母粒与聚乳酸切片混合纺丝,制备生物质石墨烯含量不同的改性聚乳酸纤维,详细介绍原料选择及所用设备、生物质石墨烯聚乳酸母粒的制备、改性聚乳酸纤维的制备流程以及生产工艺参数,并测试纤维的力学性能、抗菌性能和远红外性能。结果表明,生物质石墨烯聚乳酸纤维具有优良的抗菌性和远红外功能,可应用于远红外保健内衣、抗菌面料等纺织品领域。     

花状氧化石墨烯原位展开共聚聚酰胺6及其功能纤维

为实现复合纤维中石墨烯的分子级分散,从而改善现有石墨烯复合纤维制成率低、强度低、耐用性差等问题,提出了一种原位展开共聚的机制,使得聚酰胺6(PA6)分子接枝的石墨烯片能够均匀分散在体系内,从而批量制备多功能PA6/石墨烯纤维,建立起全新的纤维制备-加工-性能一体化系统,实现了多功能性和高力学性能的兼顾。结果表明：在聚合过程中,花状氧化石墨烯呈现出逐步展开、分散的形貌变化,同时参与聚合反应中;反应结束后,PA6分子均匀接枝在石墨烯片表面,并诱导PA6发生了晶型转变;加入0.1%石墨烯后复合纤维单丝的拉伸强度相比纯PA6纤维提高25.4%,拉伸模量提高49.5%;此外,石墨烯复合PA6面料兼具优异的抗菌、抗病毒、远红外发射、负离子发生、防紫外线等功能,具有广阔的市场前景。     

部分石墨烯复合纤维与制品的研发

为探究石墨烯在功能纤维及纺织品的多元应用,通过本课题组对石墨烯复合纤维及制品研发的总结,介绍了多元功能石墨烯复合纤维的制备与功能性研究,进一步明确复合纤维力学增强、阻燃、热稳定性、防紫外线、远红外发射等特性,以及耐日晒抗老化石墨烯锦纶长丝优良的机械性能;在多元功能石墨烯纺织品方面,进行了石墨烯紫外线防护织物、氧化石墨烯/壳聚糖复合导电织物、石墨烯复合远红外功能纺织品、氧化石墨烯/海藻酸钠复合膜和纳米二氧化锰/石墨烯改性织物的研发及其功能性能研究。石墨烯复合纤维及制品在远红外功能纺织品、个体防护及智能纺织品领域具有广阔的应用前景。     

石墨烯复合涤纶纤维的性能及应用

选择分散染料对石墨烯复合涤纶和普通涤纶纤维进行染色,分析了两者上染率和K/S值之间的差异,讨论了石墨烯复合涤纶纤维的抗菌性能。结果表明,石墨烯复合涤纶纤维上染率在95%～96%,上染效果较好,但染后纤维K/S值比普通涤纶纤维低,纤维表面得色浅。石墨烯复合涤纶纤维具有显著的抗菌效果,当混纺含量达到35%时,石墨烯复合涤纶/羊毛混纺织物表现出优良的抗菌性能,同时具有明显的防紫外线和远红外性能。     

石墨烯纤维的湿法纺丝制备及其性能

为制备兼具导电性和柔韧性的石墨烯纤维,首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯,然后以氧化石墨烯溶液为纺丝液,CaCl₂的乙醇溶液为凝固浴,通过湿法纺丝后经氢碘酸还原制备得到石墨烯纤维;并以羧甲基纤维素为交联剂对石墨烯纤维进行改性处理,得到交联石墨烯纤维。最后对2种石墨烯纤维的表面形态、导电性和力学性能进行测试与分析,并初步应用。结果表明:制备的氧化石墨烯含氧量为31.37%,单片层厚度为0.88 nm;2种石墨烯纤维表面均较光滑,交联石墨烯纤维内部片层排列更加紧密,其电导率达124 S/cm,与交联前的石墨烯纤维相差不大,但拉伸强度由交联前的120 MPa增加至179 MPa;单根交联石墨烯纤维作为电路导线可点亮灯泡,且可任意弯曲打结编织成花瓣及平纹网状结构。     

石墨烯在纺织材料基透明电极中的进展

石墨烯柔性复合透明导电复合材料具有优异的导电性能、透光性能、导热性能以及机械性能。文中介绍了石墨烯的结构、物理性质、制备方法以及在光电领域中的应用,指出了目前基于PET薄膜石墨烯材料研究中的不足以及未来发展方向。     

石墨烯纤维的湿法纺制及其性能

为更好地实现石墨烯纤维在功能性纺织品领域的宏观应用,以一定浓度的氧化石墨溶液为纺丝液,氯化钙溶液为凝固浴,通过湿法纺丝制备氧化石墨纤维,经氢碘酸还原获得石墨烯纤维。采用X射线光电子能谱和透射电子显微镜分别对氧化石墨烯纺丝液的氧化程度和结构形貌进行表征,发现氧化石墨烯的氧化程度高,其碳氧比约为1:1,并表现出轻薄片层的褶皱形貌。研究了不同质量分数的氯化钙凝固浴对石墨烯纤维拉伸强度的影响,结果表明,当氯化钙质量分数为20％时,所制石墨烯纤维的电导率为180 S/cm,拉伸强度为892 MPa,表现出良好的导电性和机械柔韧性。     

Preparation and characterization of graphene enriched poly(vinyl chloride) composites and fibers

In this paper, poly(vinyl chloride)/graphene (PVC/G) composite fibers are extruded through a set of wet spinning unit for the purpose of properties improvement, including mechanical strength, thermal stability, and electrical conductivity. PVC/G composite membranes are also prepared using a spin-coating method for the analysis on the distribution of graphene in PVC composite. The PVC/G composite fibers are systematically characterized by means of Scanning Electron Microscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and X-ray Diffraction. The mechanical, thermal, and electrical properties of the prepared PVC/G composite fibers are also analyzed. The experimental results show that the graphene sheets at a low concentration of 1–5 wt% can be distributed homogeneously in the PVC matrix; the mechanical properties, thermal stability, and electrical conductivity of PVC can be enhanced significantly by the blending of graphene sheets.     

聚合物基石墨烯复合纤维及其纺织品研究进展

针对高纯石墨烯纤维可纺性差、成本高及分散难等问题,归纳了石墨烯的功能化改性方法,并对聚合物基石墨烯及其纺织品的研究进展进行综述.通过石墨烯与聚合物基体相的相互作用分析,深入探讨石墨烯对聚合物基石墨烯纤维微结构的影响机制,提出聚合物基石墨烯纺织品开发面临的技术挑战和理论难题.研究表明,石墨烯的高导电性和聚合物基体的柔性赋...     

杯芳烃/还原氧化石墨烯纤维的制备及其选择性吸附性能

为提升杯芳烃纤维对Pt(Ⅱ)的平衡吸附量,依次通过酰胺化、还原法和静电纺丝法制备了杯芳烃/还原氧化石墨烯(CrGO)纤维.借助扫描电子显微镜、红外光谱仪、拉曼光谱仪和热重分析仪分析了纤维的结构与性能,并采用吸附实验研究了纤维的吸附选择性、吸附动力学及吸附等温模型.结果表明:CrGO纤维直径为(2±0.5)μm,具有褶皱...     

Structural properties of graphene oxide fibers: from graphene oxide dispersion until continuous graphene oxide fiber

Continuous graphene oxide fiber focused for the last seven years have a very large application area such as electronic textiles, photovoltaics, batteries, fuel cells, sensors, filters. This study reports the effect of processing parameters such as time, temperature of the exfoliation together with dispersion preparation methods of graphene oxide on the properties of continuous graphene oxide fibers produced by coagulation bath. Relationship between changing parameters and structural properties of graphene oxide fiber, fiber morphology, roughness, crystalline structure have been discussed. It has been shown that crystalline structures and responses to changing parameters are different when it is an exfoliated state, dispersion state, and fiber state. For example, crystalline sizes and number of layers of GO fiber were higher than those of GO dispersion, while the crystallinity degrees and d-spaces at the GO fiber were always less than that of GO dispersion. Higher exfoliation time leads to an increase of Tex count of fiber, while longer ultrasonic time resulted in lower value compared to both shorter ultrasound time and mechanical homogenization. Shorter ultrasonic treatment and shorter exfoliation time leads to higher electrical conductivity compared to mechanical homogenization. Shorter ultrasonic treatment results in vaguely tendency of an increase of breaking strength.     

柔性纺织纤维基超级电容器研究进展

为促进纤维基超级电容器在柔性能量存储领域的应用,以纺织纤维原料为类别,对高性能纤维(碳纳米管纤维,石墨烯纤维)、天然纤维、合成纤维基超级电容器的研究进行综述。在此基础上,对不同类型的纤维基超级电容器性能分析对比,总结各种纤维基超级电容器的优缺点。结果表明,高性能纤维基超级电容器的纤维结构、传荷位阻、离子扩散速率决定了纤维比能量及循环寿命,但该类型纤维基超级电容器受限于纤维材料的力学性能,后续织造较为困难;天然、合成纤维可满足后道纺织工艺对纤维的力学要求,易与纺织品结合成为整体,其储能大小受活性物质结构、密度、电荷传递协同效应影响较大。最后,针对柔性纤维基超级电容器研究存在的问题进行说明并对未来需要攻克的重点难点进行分析及展望。