石墨烯是從石墨中剝離出來的只有1層原子厚度的二維晶體，厚度約為0.34 nm。繼1985年C60（富勒烯）和1991年碳納米管的首次報道后，2004年石墨烯的發現再次推動了人們對碳元素納米材料的研究。研究表明，石墨烯具有非凡的機械性能、導電性能、熱學性能以及光學性能。為了將石墨烯的這些優異性能進行實際應用，人們研發了三維石墨烯泡沫、二維石墨烯薄膜和一維的石墨烯復合纖維。
目前，石墨烯復合纖維的特性以及制備方法有哪些？不同制備方法與纖維性能之間的關系如何？石墨烯與纖維結合將迸發出怎樣的火花？小編就為大家整理了石墨烯纖維國內外的最新研究現狀、應用領域和發展前景。
1 石墨烯復合纖維
石墨烯復合纖維材料大致分為3類：石墨烯－聚合物復合纖維材料、石墨烯－無機金屬復合纖維材料和石墨烯－無機非金屬復合纖維材料。下表為石墨烯復合纖維的幾種制備方法及其對應纖維的力學性能和導電性能。
（1）石墨烯-聚合物復合纖維
目前制備的石墨烯-聚合物復合纖維主要有石墨烯/PVA復合纖維、石墨烯/HPG復合纖維、石墨烯/PAN復合纖維等。新加坡國立大學鮑橋梁教授等人利用靜電紡絲技術將共軛有機分子修飾的石墨烯與聚乙烯醇（PVA）混紡得到石墨烯復合纖維，且石墨烯的加入使聚合物纖維拉伸強度提高約4倍，吸光度提高約10倍。
石墨烯/PVA復合纖維的制備原理
浙江大學高超教授等人提出了“液晶自構模板”的方法，將石墨烯與超支化聚縮水甘油醚（HPG）結合得到了超高拉伸強度的仿貝殼纖維。該纖維拉伸強度可觀（652MPa），約為貝殼的5～8倍。同時還提出了新的“倒置”策略，利用濕法紡絲自組裝將石墨烯與聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）結合再次制備了拉伸強度（500 MPa）是貝殼的3～4倍的仿貝殼纖維。
石墨烯/GMA復合纖維的制備原理
東京工業大學Akihiko Tanioka教授等人將氧化石墨烯加入到聚丙烯腈（PAN）紡絲液中，利用靜電紡絲的方法制得石墨烯/PAN復合纖維。當氧化石墨烯的含量為0.5%時，所得復合纖維的導電率最高，為165 S/cm。
（2）石墨烯-無機金屬復合纖維
韓國材料科學研究所Sang Su Yoon教授等人利用濕法紡絲將大片的石墨烯（56±20μm）與納米銀顆粒結合起來制備了石墨烯/納米銀復合纖維，導電率高達15 800 S/cm。而且這種復合纖維很容易被剪斷粘附在柔性基底上，將被廣泛應用于纖維型電極材料、纖維型晶體管、纖維型電容器等領域。
石墨烯/Ag復合纖維的微觀結構和導電率曲線
浙江大學高超等人采用濕法紡絲方法將氧化石墨烯與納米銀顆粒混紡，然后用氫碘酸還原，制備了石墨烯/納米銀復合纖維，導電率為930 S/cm。北京理工大學曲良體教授等人利用電化學沉積的方法在石墨烯纖維的外層電沉積MnO2顆粒得到復合纖維，這種多層結構復合纖維制備的纖維型電容器展現出了較強的電化學電容器特性。
不同MnO2沉積時間下MnO2/石墨烯/石墨烯纖維復合材料的SEM圖
浙江大學高超教授等人在前期工作的基礎上，通過氣相插層反應，制備了金屬鈣插層的石墨烯纖維，測試了其導電性與溫度的關系。發現當溫度降低至11 K時，鈣插層石墨烯纖維電阻急劇下降，表現出超導體的性質，當溫度達到4 K時，電阻為零。另外通過磁學性能表征，也證實了鈣插層石墨烯纖維超導電性的本征屬性。這種新型輕質超導纖維在低溫物理、醫療磁共振成像、超導量子干涉、未來電力傳輸、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。
超導石墨烯纖維電阻與溫度的關系曲線，插圖為超導纖維照片。
（3）石墨烯-無機非金屬復合纖維
杜克大學劉杰教授等人直接將未功能化的多壁碳納米管分散到氧化石墨烯溶液中進行濕法紡絲，然后還原得到石墨烯/碳納米管（CNTs）復合纖維。CNTs的加入使得石墨烯纖維的拉伸強度從193.3 MPa增加到385.7 MPa，導電率從53.3 S/cm增加到210.7 S/cm。同時，石墨烯/CNTs復合纖維用于線形超級電容時大大提高了其比電容和能量密度，在石墨烯基電極材料領域有較好的發展前景。
特拉華大學鄒祖煒教授等人也利用濕法紡絲將碳納米管薄膜包覆在還原氧化石墨烯的外層，得到石墨烯/CNTs復合纖維。CNTs的加入使石墨烯纖維的強度和導電率分別增加了22%和49%。
北京理工大學曲良體教授等人以Fe3O4為催化劑用化學氣相沉淀（CVD）的方法將CNTs直接生長在石墨烯纖維的表面，得到石墨烯/CNTs復合纖維。除了可以用作織物超級電容器外，石墨烯/CNTs復合纖維還可以被應用到更多的領域，如催化、分離和吸附材料。
2 石墨烯復合纖維的應用
由于石墨烯復合纖維具有柔性較好，質輕，導電性能、熱學性能優異等優點，因此被廣泛應用于各個領域。根據近年文獻，其應用主要集中在如下幾個方面。
（1）生物醫用材料
2013年，泰國國立朱拉隆功大學Nadnudda Rodthongkum和Nipapan Ruecha等人利用靜電紡絲構建了一種新穎的高靈敏度的用來檢測多巴胺的電化學系統。他們在絲網印刷碳電極的表面修飾了一層石墨烯/聚苯胺/聚苯乙烯復合纖維。在最優條件下，多巴胺的檢測量可以達到0.05 nM。另外，這種電極系統具有非常寬的動力學范圍：0.1 nM～100 μM。
（2）儲能材料（超級電容器）
曼徹斯特大學Robert A. W. Dryfe等人用電泳沉積的方法在碳纖維的表面沉積石墨烯碳納米管復合層，得到石墨烯－碳納米管/碳纖維（G-CNT/CC）復合纖維。所得電極的比電容（151 F/g）是純石墨烯纖維電極（58.8 F/g）的2.5倍，而且其能量密度（14.5 W·h/kg）也遠高于純石墨烯纖維電極（5.6W·h/kg）。曲良體等人在石墨烯纖維表面沉積MnO2，將石墨烯纖維的比電容提高到了36 F/g。
G-CNT/CC復合纖維的SEM圖
（3）導線
北京理工大學董澤琳等人以石墨烯復合纖維為導線織成導電織物；浙江大學高超教授等人將石墨烯復合纖維作為LED晶體管的導線，同時還將納米銀與石墨烯混紡制得高導電率的石墨烯/納米銀復合纖維（導電率為930 S/cm）；復旦大學彭慧勝教授等人從碳納米管片中抽出碳納米管陣列，沿著軸向堆疊，加入氧化石墨烯溶液，最后將混合物扭曲得到石墨烯/CNT復合纖維。
（4）光催化
中國海洋大學高孟春教授等人在氧化石墨烯的乙醇溶液中加入硝酸銦、聚乙二醇和氧化二乙酰丙酮合釩制得紡絲液，靜電紡后煅燒得到石墨烯/氧化釩銦（RGO/InVO4）復合纖維，這種復合纖維表現出了很好的光催化性能。韓國國立全南大學Bo-Hye Kim等人利用靜電紡絲的方法得到含氧化石墨烯的聚合物纖維，經煅燒得到石墨烯/碳復合纖維，再將得到的纖維浸泡在含鈦的氧化物溶液中，高溫煅燒得到石墨烯復合纖維。
在可見光照射下光催化降解羅丹明B的可能機制
小結
各種石墨烯復合纖維層出不窮，制備方法也不盡相同，復合纖維的制備方法對其拉伸強度和導電率有重要影響。其中，干法紡絲和濕法紡絲制得的復合纖維的拉伸強度明顯比靜電紡絲強。同時，通過對比同種樣品的氧化石墨烯還原方式，發現相比于高溫煅燒，HI酸還原更能保存石墨烯的優異性能。
盡管石墨烯復合纖維已經表現出很好的應用前景，但其制備工藝仍有待改進，以得到力學性能和導電性能優于單層石墨烯的材料。此外，目前對其光學和熱學方面的研究還較少，相信在不久的將來性能更優異的石墨烯復合纖維將會問世，且其應用領域將得到進一步擴展。
部分資料來源：紡織導報
- 暫無相關新聞
