插層增塑紡絲法提高石墨烯纖維性能優勢

如何精細控制石墨烯片的構象來消除無規褶皺是進一步提升石墨烯纖維綜合性能的重要挑戰。針對這一問題，浙江大學高超、許震教授團隊與清華大學馬維剛教授團隊合作，立足石墨烯纖維的結構調控及結構與性能關系，開展了系統深入的研究。他們提出“溶劑插層塑化拉伸結晶”方法，開發了一種級聯增塑紡絲技術，有效消除了石墨烯片層的褶皺，促進了石墨烯片層近似晶體的有效排列，進一步提升了石墨烯纖維的綜合性能。

熱塑化是制備高性能聚合物纖維的重要特征，受此啟發，研究人員在氧化石墨烯（GO片層）間插層各種增塑劑，使其發生彈塑性轉變，塑形明顯增大。增塑之前石墨烯纖維的拉伸應變僅為5%（彈性區域2%，塑性區域3%）；插入增塑劑后（如80%的乙酸），拉伸應變達34%，彈性區域幾乎不變，而塑性區域達到32%。射線衍射（XRD）分析其層間距明顯增大，并得到其層間距與拉伸應變的相關性，通過對其結構分析，從石墨烯層間距、褶皺構象的角度，得到插層調控的石墨烯片層間距誘導石墨烯纖維的塑性轉變。

進而，研究人員建立了制備高結晶度石墨烯纖維的級聯增塑紡絲工藝，級聯拉伸保持纖維紡絲的連續性。進一步對GO纖維進行石墨化處理，數據表明，增塑紡絲石墨烯纖維多尺度結晶有序結構和較大的晶體尺寸，賦予了其優異的楊氏模量和拉伸強度，且隨SR（鍶）增加而明顯增大：SR為32%時，其拉伸強度和楊氏模量分別為3.4 GPa和341.7 GPa，比未增塑石墨烯纖維強度高200%。因此，利用該方法制備的纖維具有很高的機械強度（3.4 GPa）、電導率（1.19×106S/m）和熱導率（1480W/mK），初步具備結構功能一體化的性能優勢，展現出良好的工業應用前景。