成果简介
导电石墨烯纱是将电子和智能功能嵌入织物的关键。本文，杭州电子科技大学周阳辛 教授团队在《ADVANCED ENGINEERING MATERIALS》期刊发表名为“Conductive Graphene–Polyethylene Terephthalate Composite Yarns with Synergistic Multiwalled Carbon Nanotube Additives by Melt-Spinning”的论文，研究介绍了通过熔融纺丝工艺（一种广泛应用于聚合物纱线制造的工业方法），成功制造出含有多壁碳纳米管（MWCNT）协同添加剂的导电石墨烯-聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）复合纱线。
与 MWCNT-PET 复合纱线相比，MWCNT 的集成显著提高了纱线的导电性，增加了近 100 倍。这些纱线的导电性能主要取决于导电纳米材料之间的界面接触，可将其概念化为量子隧道势垒，其末端具有多个分子能级。采用西蒙斯模型，通过分段拟合方法分析电流-电压特性，以提取关键势垒参数。在施加电压、纳米材料浓度和温度发生变化时，等效势垒高度和宽度保持不变。然而，有效总接触面积随着纳米材料含量的增加而显著增加，从而大大提高了纱线的导电性。与 MWCNT 的直径（≈5 nm）相比，石墨烯的尺寸更大（≈200 nm），这使得石墨烯-MWCNT 接触面的界面面积比 MWCNT-MWCNT 接触面的界面面积大得多。这种接触面积上的差异是促成石墨烯-PET 复合纱线导电性协同增强的主要因素。
图文导读
图1、a） 熔融纺丝示意图。b） 石墨烯-PET 复合纱线卷的照片。石墨烯含量为 1 wt%，含有 0.5 wt% MWCNT 添加剂。c） 四种 PP 基纱线的低倍率和高倍率 SEM 图像：纯 PP、1 wt% 石墨烯含量、1 wt% MWCNT 含量和 0.5 wt% 石墨烯含量 + 1.5 wt% MWCNT 添加剂。d） 四种 PET 基纱线的低倍率和高倍率 SEM 图像：纯 PET、1 wt% 石墨烯含量、1 wt% MWCNT 含量和 0.5 wt% 石墨烯含量 + 1.5 wt% MWCNT 添加剂。e） XRD 图谱。f） 石墨烯含量为 0.5 wt% 和 MWCNT 添加剂为 1.5 wt% 的石墨烯-PET 复合纱线在 532 nm 激光器下的拉曼光谱。g） 石墨烯片和 h） 纱线溶解后的 MWCNT AFM 图像。
图2、仅对 MWCNT 含量的 PET 复合纱线样品进行电学测量。
图3、石墨烯-PET 复合纱线样品的电学测量
图4、石墨烯含量为 0.5 wt% 且 MWCNT 添加剂为 1.5 wt% 的石墨烯-PET 复合纱线样品的温度依赖性电学测量。
小结
总之，本研究利用聚合物纱线制造中普遍采用的工业流程–熔融纺丝技术，成功地制造出了含有增效 MWCNT 添加剂的导电石墨烯-PET 复合纱线。这种协同方法大大增强了纱线的导电性，与不含 MWCNT 添加剂的纱线相比，实现了七阶量级的飞跃，并以 100 倍的显著优势超越了 MWCNT-PET 复合纱线。
这些复合纱线的导电性主要受嵌入式导电纳米材料之间的界面接触的影响，这些界面接触可被概念化为量子隧道势垒，导电纳米材料在势垒末端具有多个分子能级。在含有 MWCNT 添加剂的石墨烯-PET 复合纱线中，石墨烯-MWCNT 接触是决定纱线导电性的关键因素。通过对西蒙斯模型中的电流-电压特性进行分段拟合分析，可以提取出与纱线内的阻挡层高度、阻挡层宽度和有效总接触面积有关的关键参数。
研究发现，阻挡层的固有特性，如阻挡层高度和宽度，不受外加电压、导电纳米材料含量和温度变化的影响。由于石墨烯和 MWCNT 之间的结构相似，这些值在 MWCNT 间接触和石墨烯-MWCNT 接触中非常相似。相反，有效总接触面积随着导电纳米材料含量的增加而扩大，从而大大提高了纱线的导电性。石墨烯尺寸（≈200 nm）和 MWCNT 直径（≈5 nm）之间的明显差异导致石墨烯-MWCNT 接触处的界面面积大大增加，这也是含有 MWCNT 添加剂的石墨烯-PET 复合纱线导电性显著增强的主要原因。
要想通过增加石墨烯和 MWCNT 的含量、调整纳米材料的取向以及优化熔融纺丝的热机械过程来持续改善纱线的导电性，还需要进一步的研究。此外，通过仔细调节纳米材料的尺寸，并战略性地加入适当的粘合剂，还可以增强纱线的质地和拉伸强度。这些研究工作对于这些具有协同作用的 MWCNT 添加剂的导电石墨烯-PET 复合纱线的规模化生产和工业接受度至关重要，从而可以制造出具有先进纺织功能的织物，包括传感、柔性电子，甚至是潜在的电控风格转换。
文献：https://doi.org/10.1002/adem.202401629
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