由石墨制取超强连续石墨烯纤维

石墨烯是2004年发现的新的碳同素异形体,它具有超强的力学性质,杨氏模量为1.1TPa,断裂强度高达130GPa,同时拥有高导电、导热的特性。利用这些优越性质,石墨烯可作为基本构建单元来制备生产下一代超强功能材料,但要获得宏观连续的组装结构还是一个很大的挑战。

近年来,浙江大学高分子系高超教授等课题组发现了氧化石墨烯的液晶性,即氧化石墨烯在水等溶剂中的浓度超过某一临界值时,就会自发取向排列成有序结构,形成向列相或层状相液晶(ACS Nano, 2011, 5 , 2908)。液晶的有序性往往预示着制备宏观高性能纤维的可能,如目前最强的聚合物纤维Kevlar就是通过液晶纺丝而成。

最近,高超教授课题组从大片氧化石墨烯液晶出发,采用工业化的湿法纺丝组装技术,成功制备了超强的连续石墨烯纤维(原文见:Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201203448)。他们在前期氧化石墨烯液晶及石墨烯纤维的基础上,进一步增大了氧化石墨烯的径向尺寸并且优化了湿法纺丝工艺过程,实现了石墨烯纤维强度大幅度的提升。石墨烯的大尺寸会减少石墨烯片层边缘之间叠合带来的缺陷,同时优化的“湿拉”纺丝工艺实现了石墨烯片沿纤维轴向的致密规整排列。研究人员还通过引入二价金属离子交联结构将石墨烯纤维强度提升至0.5GPa,这是目前所报道的纯石墨烯材料强度的最高值。单根纤维的长度可达到数十米,也可形成多根纤维缠绕而成的纱线。这种石墨烯纤维在具有超高强度的同时还兼具良好的导电性和柔韧性,其导电能力在弯曲-伸直1000次后没有任何减弱,预示着石墨烯纤维这一新品种高性能纤维材料在多功能织物、柔性可穿戴传感器、超级电容器、石墨炸弹、轻质导线等领域有广泛的应用前景。

这种方法打通了从天然石墨矿到石墨烯纤维的通道,所需原料来源广、成本低、且可规模化制备,因此具有很强的实际应用价值。研究人员正计划引入更强的相互作用力来克服石墨烯片间的相互滑移,进一步提升石墨烯纤维的强度,达到甚至超过碳纤维的力学性能,向“太空电梯”这一梦想的目标迈进。