壹種高強度，兼具導電、導熱和光熱等性能的高取向石墨烯氣凝膠纖

織物是人類生産生活的必需品，從最早的動物毛發到天然棉麻再發展到現代文明的人造高性能纖維，伴隨著人類文明的進步而高速發展。氣凝膠纖維兼具了氣凝膠材料低密度、高孔隙率及纖維材料強韌、靈活的優點，在隔熱、阻燃和智能穿戴等領域展現出巨大的潛力。石墨烯氣凝膠纖維以其優異的力學性能、導電性能、導熱性能、電熱性能和光熱性能等特性，成爲新壹代功能化智能織物的優選材料。

 

近期，浙江大學高超教授和許震研究員團隊在Advanced Fiber Materials上發表了題爲“Plastic-swelling Preparation of Functional Graphene Aerogel Fiber Textiles”的研究成果。該工作采用預編織物的塑化溶脹法制備了高性能石墨烯氣凝膠纖維織物，系統闡述了高取向石墨烯氣凝膠纖維的制備方法，突破了石墨烯基高性能氣凝膠纖維難以編織及規模應用的困境。該方法簡便高效，獲得的石墨烯氣凝膠纖維織物具有高強度(113 MPa)和多功能應用，爲高性能石墨烯氣凝膠纖維織物的制備和發展奠定了基礎。

 

石墨烯氣凝膠纖維作爲發展最早的壹種氣凝膠纖維，由氧化石墨烯溶液經由液晶紡絲技術和冷凍幹燥技術獲得。然而，其不穩定的無序多孔網絡結構限制了石墨烯氣凝膠力學、導電和導熱等性能的發展，使其難以以織物的形式得到廣泛應用。該工作提出的塑化溶脹法如圖1所示，基于成熟塑化拉伸技術制備高取向的氧化石墨烯纖維，並將纖維絲束編織成織物，通過溶劑進行塑化溶脹，對溶脹的氧化石墨烯凝膠纖維織物進行預還原、冷凍幹燥和高溫還原處理，最終獲得石墨烯氣凝膠纖維織物。

 

圖1 塑化溶脹制備石墨烯氣凝膠纖維示意圖

 

塑化溶脹法可以使制備的氣凝膠纖維保持其前驅體固態氧化石墨烯纖維的取向度，通過塑化溶脹可以獲得高取向的氣凝膠纖維（圖2），相比于傳統的液晶紡絲法，取向度的提高強化了氧化石墨烯多孔網絡的搭接強度，提升了力學強度和比強度。

圖2 (a)塑化溶脹法的取向優勢示意圖，3種氣凝膠纖維的 (b-e) 取向度、 (f) 拉伸曲線和(g)比強度

 

基于塑化溶脹機理，通過調節塑化溶脹浴的組成，即改變溶劑的極性，可以有效調節氧化石墨烯凝膠纖維的溶脹率，進而大範圍調控氣凝膠纖維的密度、孔隙率等結構參數，突破了傳統液晶紡絲法的密度限制（圖3）。經過化學還原和高溫熱處理後，隨著密度增加，石墨烯氣凝膠纖維的力學強度和導電率逐步提升，單根石墨烯氣凝膠纖維的力學強度最高可達103 MPa，導電率可達1.06 × 104 S/m。

 

圖3 氧化石墨烯凝膠纖維的(a-b)溶脹率、(c)密度和孔隙率、(d)斷面SEM照片, 不同密度的還原氧化石墨烯氣凝膠纖維和石墨烯氣凝膠纖維的(e)強度、(f)導電率，(g)不同材料的氣凝膠纖維比強度

 

溶劑極性會影響預編織物在塑化溶脹浴中的形態結構。如圖4所示，溶劑極性較強時，氧化石墨烯氣凝膠纖維的溶脹率較大，結構強度降低，單根纖維在溶脹浴中容易斷裂，破壞了織物結構的完整性；隨著溶劑極性的降低，氧化石墨烯凝膠纖維的溶脹率下降，凝膠強度提升，可以保持預編織物結構的完整性。

 

圖4 溶脹浴極性對織物結構穩定性的影響

 

石墨烯氣凝膠纖維織物兼具了石墨烯優異的傳導電熱性質、光熱和導熱性質，在熱管理和防護領域展現出巨大優勢。通過施加遠低于人體安全的電壓，即可改變織物的表面溫度；通過外界陽光照射，可以調節織物的表面溫度；通過複合相變材料(如聚乙二醇分子量4000)，結合石墨烯的電熱性能，可以有效存儲和釋放能量（圖5）。

 

圖5 石墨烯氣凝膠纖維織物在(a-c)電熱、(d-f)光熱和(g-i)相變複合儲能領域的應用

 

研究成果及展望：

綜上所述，塑化溶脹法爲氣凝膠纖維的宏量制備提供了新途徑。通過塑化溶脹法可實現高性能、多功能石墨烯氣凝膠纖維織物在能源、吸附、催化、儲能和防護等領域的應用，符合未來多功能、低能耗和可持續發展的目標。但是，仍存在需要突破的難點，如氣凝膠纖維的孔徑控制等。未來，石墨烯基氣凝膠纖維會在智能穿戴防護領域展現出巨大的潛力。

 

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