引入聚合物是一種常見(jiàn)提高溶液拉伸流動(dòng)性的常見(jiàn)方法，但是由于氧化石墨烯是一種單原子層薄膜，極大的橫縱比使其嚴(yán)重阻礙了復(fù)合分散體系中聚合物的鏈纏結(jié)，使得復(fù)合體系中聚合物有效鏈纏結(jié)濃度遠(yuǎn)高于純的聚合物體系。通常要加入超過(guò)95 wt.% 常見(jiàn)聚合物才使得聚合物在氧化石墨烯/聚合物分散體系中形成整體鏈纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，從而確保混合溶液能夠無(wú)展現(xiàn)出較高的粘彈性和可拉伸流動(dòng)性。但是極高的聚合物含量又會(huì)限制最后所得到的石墨烯纖維的綜合性能。根據(jù)聚合物稀溶液理論，增加分子量能夠有效降低聚合物臨界纏結(jié)含量，于是我們選用了分子量高達(dá)3000萬(wàn)的超高分子量聚合物來(lái)降低復(fù)合體系中聚合物的含量。超高分子量聚合物能夠有效規(guī)避氧化石墨烯片層從而形成整體纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)，30 wt.%聚合物添加劑能夠有效增強(qiáng)氧化石墨烯溶液的粘彈性，使其拉伸比從84%提高到1200%，從而實(shí)現(xiàn)了高速吹紡制備石墨烯纖維材料，其紡絲速度高達(dá)556 m min^-1，比之前濕紡提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了化工纖維的生產(chǎn)水平。

圖1. 高速吹紡制備石墨烯纖維材料

圖2. 復(fù)合體系高拉伸流動(dòng)性

并且由于在復(fù)合體系中聚合物只占30%， 在經(jīng)過(guò)熱處理之后即可得到的純石墨烯纖維。SEM、XRD、TEM以及Raman等表征手段證明所得到的純石墨烯纖維確實(shí)保留和未添加聚合物石墨烯纖維接近的結(jié)構(gòu)連續(xù)性、片層完整性以及結(jié)晶性， 使得通過(guò)吹紡制備的石墨烯纖維具有高達(dá)1.3×10⁵ S m^-1的優(yōu)異導(dǎo)電性。 

圖3. 吹紡石墨烯纖維結(jié)構(gòu)完整性，宏觀連續(xù)性和高導(dǎo)電性 

通過(guò)高速吹紡可以連續(xù)制備石墨烯纖維無(wú)紡布，與碳化樹(shù)脂復(fù)合之后可得到多孔石墨烯碳紙，能夠用于電極材料。相比于傳統(tǒng)碳纖維多孔碳紙，石墨烯纖維碳紙展現(xiàn)出高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高透氣性以及高柔性等全方面性能優(yōu)勢(shì)，是一種優(yōu)異的燃電池氣體擴(kuò)散層材料。目前國(guó)內(nèi)碳纖維紙主要由日本東麗公司所壟斷，石墨烯纖維碳紙有望打破國(guó)外長(zhǎng)久壟斷的局面。

圖4. 石墨烯纖維多孔碳紙制備和性能優(yōu)勢(shì)

除此之外，通過(guò)引入超高分子量聚合物調(diào)控流變性能的方法還可以擴(kuò)展至其他一維和二維納米材料，從而快速吹紡制備各種納米纖維材料，包括納米纖維素、碳納米管、二硫化鉬以及MXene等。

圖5. 吹紡制備其他那面纖維類(lèi)材料

總之，該工作提出了一種通過(guò)引入少量超高分子量調(diào)控納米材料溶液流變特性，從而增強(qiáng)其拉伸流動(dòng)性，并實(shí)現(xiàn)高速吹紡制備纖維類(lèi)材料的新方法。通過(guò)吹紡能夠使得石墨烯纖維的紡絲速度達(dá)到556 m min^-1, 比之前濕紡提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。所制備的得到的石墨烯纖維碳紙展現(xiàn)出高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高柔性以及高透氣性等優(yōu)異綜合性能，可用于燃料電池氣體擴(kuò)散層，從而打破國(guó)外在碳紙上的技術(shù)壟斷。該工作以“High-Speed Blow Spinning of Neat Graphene Fibrous Materials”為題發(fā)表在《Nano Letters》上。（DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01076）論文第一作者為浙江大學(xué)博士生劉森坪，通訊作者為許震特聘研究員、劉英軍特聘副研究員及高超教授。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01076

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