Carbon：湿纺丝法支持石墨烯纳米片的芳纶纳米纤维框架

文章概述

石墨烯基长丝或纱线具有优异的导电性和轻量化的优点，是柔性金属丝的竞争对手。挑战在于低氧化石墨烯由于薄片之间的强相互作用容易聚集，而且很难将石墨烯组装成丝。目前，尽管有不同的策略来改善石墨烯的分散性和可再造性，但其工艺过程往往是复杂的，纤维脆弱。在此基础上，我们选择了具有优异分散性和力学性能的芳纶纳米纤维(ANFs)作为石墨烯纳米片(GNPs)的辅助载体，利用溶剂中的非共价相互作用和静电排斥力支撑石墨烯纳米片。提出了一种简单的湿法纺丝一步法直接制备GNPs/ ANF丝。所合成的GNPs/ANFs线的重量比为80/20，高导电性4236 S/m，抗拉强度227.5 MPa，延伸率10.2%。此外，得益于ANFs框架的引入，混杂纤维不仅具有优越的耐久性，还能承受燃烧和超过400℃的高温。这项工作为新型柔性金属丝的组装提供了一种策略，这种金属丝易于大规模生产，在可穿戴设备中具有潜在的价值。

成果简介

四川大学高分子科学与工程学院陈锋课题组提出了一种简单的湿法纺丝一步法直接制备GNPs/ ANF丝，解决了低氧化石墨烯由于薄片之间的强相互作用容易聚集，而且很难将石墨烯组装成丝的难题，所合成的GNPs/ ANF丝不仅具有高导电性，还能承受燃烧和超过400℃的高温。

文章亮点

（1） 选择了具有优异纳米分散性和力学性能的芳纶纳米纤维(ANFs)作为石墨烯纳米片(GNPs)的辅助载体，利用溶剂中的非共价相互作用和静电排斥力支撑石墨烯纳米片；

（2） 简单的湿法纺丝一步法直接制备GNPs/ ANF丝；

（3） 易于大规模生产，在可穿戴设备中广泛应用。

图文简介

摘要图示

图1：GNPs/ANFs纤维制备流程示意图。

图2：观察悬浮液形态(a, b)数码照片:ANFs溶液、GNPs/ANFs和GNPs悬浮液(左:放置前;右:30分钟后);(c) GNPs和(e) 80%GNPs/ ANF悬浮液对应的TEM图像;(d) ANFs溶液、GNPs粉末和GNPs/ANFs悬浮液的FTIR光谱；(f-i) 80%GNPs/ANFs悬浮液在云母片上的SEM照片和相应的EDS绘图分析。

图3:(a-f)扫描电镜图像:不同比例GNPs/ANFs纤维的截面。(g-j) POM图像:ANFs纤维和GNPs/ANFs纤维在空气中的凝固过程。

图4:(a)通过权衡gnp和ANF的优缺点来获得更好的性能。(b)纯ANFs纤维，(c) 20%GNPs/ANFs纤维，(d) 40%GNPs/ANFs纤维，(e) 60%GNPs/ANFs, (f) 80%GNPs/ANFs, (g) 90%GNPs/ANFs.

图5:(a)XRD。(b)Raman。(c) XPS谱。(d-f) ANFs纤维、GNPs粉末和GNPs/ANFs纤维的XPS C1光谱。

图6:(a)用80%GNPs/ANFs纤维在棉上织造字母“U”型图案。(b)用80%GNPs/ANFs纤维编织100 mg环的照片。(c)混合纤维的高机械强度展示:用100毫克的纤维环举起500g的重量。(d)不同GNPs/ANFs纤维的应力-应变曲线。(e)不同GNPs含量的复合纤维的拉伸强度和Y杨氏模量。(f)不同GNPs配比下混杂纤维的伸长率和韧性。

图7:(a)不同GNPs比例混杂纤维的电导率。(b) 80%GNPs/ANFs复合纤维重复折叠循环后的阻力比(R/R0)。插入的数字图像说明了折叠的样本。(c)使用80%GNPs/ANFs纤维在自然状态下弯曲90°和180°照明LED灯泡。

图8:(A -d)一束混合纤维暴露在不同时间的酒精灯火焰上。(e) Kevlar纤维、纯ANFs纤维、原始GNPs粉末和GNPs/ANFs复合纤维的TGA曲线。(f)与以前报告比较电导率和机械性能。

一段话点评

在本研究中，通过湿法纺丝成功地将低氧化的GNP和支化的ANF组装成杂化丝。一方面，ANF是一种优良的分散剂，使GNP具有良好的分散性和可纺性。另一方面，ANF还具有优异的机械强度、耐久性、热稳定性、防火性能和抗疲劳性，确保复合纤维在疲劳和腐蚀性环境中使用。80%GNPs/ANFs纤维具有227.5 MPa的强度和4236 S/m的电导率。同时，柔性丝能被拉伸超过10%的伸长率并织成织物。此外，简单的一步纺制柔性丝的过程是可扩展的，以实现大规模制造，从而表明了充分的前景，应用于柔性纺织电子。