高超子刊：第一块全石墨烯纤维无纺布！

       以石墨烯纤维为代表的的碳基纤维由于优异的导电、导热、透过性、柔性以及防火、轻量等优点而在功能性织物、储能器件以及环境治理等领域备受关注。自高超教授课题组2011年通过湿法纺丝技术获得首根纯石墨烯纤维以来，石墨烯纤维的力学、导电等性能均取得了长足的发展。目前，石墨烯纤维的最佳导电性和导热性分别达到了800000 S/m (Gao’s group, Adv. Mater. 2016, 28, 6449-6456.)和1290 W/mK (Lian’s group, Science 2015, 349, 1083-1087.)。

图1. 湿法纺丝制备石墨烯纤维

 

      为了将具有优异性能的石墨烯纤维进一步推向大尺度的实际应用，最直接有效的方法便是制备石墨烯纤维织物。而作为一种典型的碳基纤维，石墨烯纤维呈现出物理和化学惰性，使用常规手段很难在不添加粘接剂的情况下实现纤维间的强相互作用，导致织物的整体性能大大低于单根石墨烯纤维的水平。

 

       有鉴于此，浙江大学高超教授课题组在连续化湿法纺丝制备石墨烯短纤维的基础之上开发了一种“湿法融合组装技术”（wet-fusing assembly）,利用氧化石墨烯纤维间的自融合现象，使无规取向的石墨烯短纤维在搭接结点处融为一体，成功研制出第一块由纯石墨烯纤维构成的无纺布织物。

图2. 制备工艺流程图

 

       该制备技术主要包括三大步骤：

       1）氧化石墨烯短纤的连续湿法纺丝及初步干燥；

       2）氧化石墨烯短纤的湿法融合组装形成无纺布结构；

       3）氧化石墨烯纤维无纺布的还原及3000℃高温石墨化处理得到石墨烯纤维无纺布。

 

        该制备方法中有三个关键问题需要注意：

       1）作为无纺布结构单元的氧化石墨烯短纤的连续纺丝；

       2）通过两步干燥过程控制纤维的收缩，以维持织物的结构；

       3） 通过纤维的融合使纤维之间具备强相互作用，从而形成结构稳定的纤维网络。

图3. 氧化石墨烯纤维的湿法融合组装过程及制备的石墨烯纤维无纺布

 

最终制备得到的全石墨烯纤维无纺布由随机取向排列的石墨烯短纤维组成，该无纺布多孔，质轻，具有较好的柔性和结构稳定性。其最大创新性在于：利用湿法融合组装方法使石墨烯纤维在搭接结点处相互融合，极大地增强了纤维之间的相互作用。

图4. 石墨烯纤维无纺布的微观结构

 

这种全石墨烯纤维无纺布的面内导电率约为28000 S/m,导热率达到301 W/mK。考虑到其0.22 g/cm^-3的低密度，其比导热和比导电性能远远高于之前文献报道的碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜，甚至高于单根石墨烯纤维。

图5.导热和导电性

 

基于以上优异性能，石墨烯纤维无纺布可被用作能源领域的电极材料、快速高效的电热织物以及吸附有机物的吸油纸。同商业化的电加热元件相比，石墨烯纤维无纺布具有快速热响应及高工作温度等显著优势，有望在可穿戴电加热领域大显身手。该无纺布对有机物的吸附量和吸附速度明显优于商业化的吸油毡，同时得益于高的结构稳定性，可能比三维碳气凝胶更适合实际吸油应用。

图6. 石墨烯纤维无纺布的电热及吸油应用

 

另外，构成无纺布的石墨烯纤维结构具有高度的可设计性，使得高性能多功能的石墨烯纤维织物在电热、吸附、能源、催化、复合材料等领域具有广阔的前景。

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Zheng Li, Chao Gao et al. Multifunctional non-woven fabrics of interfused graphene fibres. Nature Communications 2016, 1, 13684