插层增塑纺丝法提高石墨烯纤维性能优势

如何精细控制石墨烯片的构象来消除无规褶皱是进一步提升石墨烯纤维综合性能的重要挑战。针对这一问题，浙江大学高超、许震教授团队与清华大学马维刚教授团队合作，立足石墨烯纤维的结构调控及结构与性能关系，开展了系统深入的研究。他们提出“溶剂插层塑化拉伸结晶”方法，开发了一种级联增塑纺丝技术，有效消除了石墨烯片层的褶皱，促进了石墨烯片层近似晶体的有效排列，进一步提升了石墨烯纤维的综合性能。

热塑化是制备高性能聚合物纤维的重要特征，受此启发，研究人员在氧化石墨烯（GO片层）间插层各种增塑剂，使其发生弹塑性转变，塑形明显增大。增塑之前石墨烯纤维的拉伸应变仅为5%（弹性区域2%，塑性区域3%）；插入增塑剂后（如80%的乙酸），拉伸应变达34%，弹性区域几乎不变，而塑性区域达到32%。射线衍射（XRD）分析其层间距明显增大，并得到其层间距与拉伸应变的相关性，通过对其结构分析，从石墨烯层间距、褶皱构象的角度，得到插层调控的石墨烯片层间距诱导石墨烯纤维的塑性转变。

进而，研究人员建立了制备高结晶度石墨烯纤维的级联增塑纺丝工艺，级联拉伸保持纤维纺丝的连续性。进一步对GO纤维进行石墨化处理，数据表明，增塑纺丝石墨烯纤维多尺度结晶有序结构和较大的晶体尺寸，赋予了其优异的杨氏模量和拉伸强度，且随SR（锶）增加而明显增大：SR为32%时，其拉伸强度和杨氏模量分别为3.4 GPa和341.7 GPa，比未增塑石墨烯纤维强度高200%。因此，利用该方法制备的纤维具有很高的机械强度（3.4 GPa）、电导率（1.19×106S/m）和热导率（1480W/mK），初步具备结构功能一体化的性能优势，展现出良好的工业应用前景。