Advanced Functional Materials:还原氧化石墨烯功能化蚕丝纤维

天然桑蚕丝(Bombyx mori Silk)因其绿色可再生、易降解等特点在纺织工业等领域有巨大应用潜力。然而,天然蚕丝缺乏智能织物所需的关键性能,如导电性和稳定性,限制了它在不断增长的可穿戴智能器件市场的应用;此外,与工业纤维(如芳纶和碳纤维)相比,天然蚕丝的强度仍不足以用于实际应用。为了赋予蚕丝更好的功能,研究人员开发了多种对蚕丝改性的方法,例如再生蚕丝蛋白复合材料、表面改性、饲喂蚕等。但是这些改性方法往往会破坏蚕丝原有的结构,损害其本身的优异特性。因此,如何在不损伤原有天然蚕丝的优异性能的前提下,实现对天然蚕丝的功能化,从而提高天然纤维的力学性能,并引入导电等功能特性,仍然是一个巨大挑战。

近日,北京航空航天大学程群峰教授课题组受天然核-鞘结构启发,提出了一种界面增强策略制备还原氧化石墨烯功能化桑蚕丝(GS)的方法。 GS 在拉伸强度和韧性方面表现出色,分别达到 1137.7 ± 85.3 MPa 和 304.5 ± 50.9 MJ m-3,高于其他改性蚕丝纤维。 此外,rGO 赋予了纤维良好的电学性能,例如导电性以及出色的温度和形变响应。这种功能化蚕丝在智能纺织、运动监测和等领域具有巨大的应用潜力。此工作显示了界面增强策略在天然纤维功能化方面的可行性,为制备绿色强韧功能性纤维材料提供了新策略。

图1. A) GS的制备过程。B–D)蚕丝、蚕丝单丝、GS的电镜图像(插图为截面电镜图像),标尺:10微米。

图2. A)蚕丝单丝和GS的力-应变曲线;B) 蚕丝单丝和GS的拉伸强度与韧性;C) 还原氧化石墨烯功能化层的含量与GS的电导率;D) GS的拉伸强度和韧性与其他改性蚕丝的对比图。

图3. A) GS的拉伸断裂过程;B) GS的断面形貌;C)蚕丝单丝、GS、rGO-CS、GO的红外光谱图。

图4. A) GS的电阻与温度变化的响应;B) GS的电导率在拉伸、弯曲循环下的稳定性;C) GS的电阻在拉伸循环下的变化;D) GS的电阻在弯曲循环下的变化。

该研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、国家自然科学基金、牛顿高级学者基金、北京市自然科学基金杰出青年科学基金、111引智计划、生物医学工程高精尖中心等项目的支持。程群峰教授课题组网站链接:http://chengresearch.net/zh/home-cn/

论文信息:

Strong Reduced Graphene Oxide Coated Bombyx mori Silk

Can Cao, Zongkai Lin, Xiaochen Liu, Yanyan Jia, Eduardo Saiz, Stephan E. Wolf, Hanoch Daniel Wagner, Lei Jiang, Qunfeng Cheng*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202102923

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202102923