厉害了！浙大高超教授“全石墨烯纤维无纺布”登上《Nature》子刊！

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石墨烯纤维为代表的的碳基纤维由于优异的导电、导热、透过性、柔性以及防火、轻量等优点而在功能性织物、储能器件以及环境治理等领域备受关注。石墨烯纤维相互作用较差，导致织物性能难以达到单根石墨烯纤维的水平。有鉴于此，浙江大学高超课题组开发了一种“湿法熔融组装技术”（wet-fused assembly）,利用氧化石墨烯短纤成功制备出多功能性全石墨烯纤维无纺布，填补了石墨烯纤维织物制备的技术空白！

石墨烯纤维为代表的的碳基纤维由于优异的导电、导热、透过性、柔性以及防火、轻量等优点而在功能性织物、储能器件以及环境治理等领域备受关注。常用的湿法组装技术也使得在石墨烯纤维上实现多种功能的集成趋于成熟。目前，碳基纤维材料的最佳导电性和导热性分别为8 x 105 S m-1,1290 W m-1 K-1。

图1   湿法纺丝制备石墨烯纤维

问题在于：石墨烯纤维相互作用较差，导致织物性能难以达到单根石墨烯纤维的水平。有鉴于此，浙江大学高超课题组开发了一种“湿法熔融组装技术”（wet-fused assembly）,利用氧化石墨烯短纤成功制备出多功能性全石墨烯纤维无纺布。

图2  制备工艺流程图

该制备技术主要包括三大步骤：

1）氧化石墨烯短纤的湿法纺丝制备及初步干燥；

2）氧化石墨烯短纤湿法熔融组装形成无纺布；

3）3000℃高温退火或还原得到全石墨烯无纺布。

该制备方法中有三个关键问题需要注意：

1）氧化石墨烯短纤的连续纺丝构建整体框架。

2）干燥过程中要防止收缩，维持织物结构。

3）纤维之间必须具备强相互作用，从而得到结实的纤维网络。

图3   材料表征

所制备的到的全石墨烯纤维无纺布是由随机取向排列的石墨烯短纤维组成，多孔，质轻。其最大创新性在于：利用湿法熔融组装方法使石墨烯纤维相互熔合在一起，极大地增强了纤维之间的相互作用。

这种全石墨烯纤维无纺布面内导电性高达~2.8 x 104 S m-1,导热性高达~3015 W m-1 K-1。考虑到其0.22 g cm-3的低密度，其比导热和导电性能打破了基于碳材料的纸和织物的记录！甚至比单根石墨烯纤维的性能都要更好。

  进一步，研究人员将这这种石墨烯纤维无纺布应用于快速响应的电加热器和吸油毡中，具有良好的实际应用前景。

图4   导热和导电性

研究的背景和意义

石墨烯纤维由石墨烯片组装而成，将宏观尺度上的单层石墨烯的理想性能引入一维纤维材料中，已经成为最有吸引力的新型碳基纤维之一。如今，经过几年的持续努力，大规模和经济地生产石墨烯纤维已成为可能，而其最高的强度和模量已分别达到2.2和400 GPa。常用的湿法组装技术也使得在石墨烯纤维上实现多种功能的集成趋于成熟。

纤维材料的高级应用主要由其织物来实现。在这方面，碳基织物在许多领域如能源、汽车，航空航天的应用非常广泛。因为它们综合了各种优异的导电、导热、耐火、耐腐蚀、透气性和质量轻等各种性能。然而，所有的碳基织物都有一个共性的问题：由于耐火和难溶导致其相互作用较差。因此，与单根纤维相比，织物的性能显着降低，特别是对于对界面敏感的导电和导热性。

在所有的新型碳基织物中，石墨烯纤维织物（GFF）应该是非常有前途的，如果能将这种有吸引力的纤维的全部潜能大规模地发挥出来的话。有人通过化学气相沉积法CVD和直接纺织法在来制备石墨烯纤维网，但是制备具有足够的密度和良好连接的高导电导热的纤维织物的技术还从未报告过。

高超课题组开发了一种“湿法熔融组装技术”（wet-fused assembly）,利用氧化石墨烯短纤成功制备出多功能性全石墨烯纤维无纺布。通过氧化石墨烯（GO）纤维在水性溶剂中的湿熔融组装，单根独立纤维被整合成具有强的界面粘合力的完整织物。 

这种全石墨烯纤维无纺布面内导电性高达~2.8 x 104 S m-1,导热性高达~3015 W m-1 K-1。考虑到其0.22 g cm-3的低密度，其比导热和导电性能打破了基于碳材料的纸和织物的记录！甚至比单根石墨烯纤维的性能都要更好。

高超教授：

高超，男，土家族，1973年1月生。工学博士，教授，博士生导师。

1995年毕业于湖南大学化学化工学院有机化工专业，获学士学位，1998年毕业于同校精细化工专业获硕士学位，2001年毕业于上海交通大学高分子科学与工程系，获得工学博士学位，并留校任教。2002年8月被评为副教授。2003年11月至2006年8月先后在英国Sussex大学化学系Harold W. Kroto爵士实验室(因发现C60获得1996年诺贝尔化学奖)、日本Toyo大学Toru Maekawa教授组、德国Bayreuth大学Axel H. E. Müller教授组做访问研究、博士后研究、合作研究和洪堡学者研究。2008年3月加入浙江大学高分子系，同年7月被评为教授、博士生导师。

主要从事纳米材料化学及超支化聚合物研究，在包括Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Sci. Rep., Prog. Polym. Sci.等在内的国际期刊上发表SCI收录文章近100篇，被他引3500余次，H因子31，共同主编由Wiley出版的英文专著一本(Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, and Applications)，获得授权的国家发明专利20多项。成果石墨烯纤维结入选《自然》2011年度图片，碳海绵打破最轻固态材料的世界纪录，被《自然》及多家科普杂志高度评价。担任国际期刊Colloid and Polymer Science的地区主编。

小烯说

近年来，石墨烯逐渐成为高性能纺织纤维制备领域的研究热点，在纺织品功能整理方面同样引起广泛关注，但是，如何以石墨烯纤维为原料经工业化纺纱工艺纺制石墨烯纱线，并用石墨烯纱线直接织造石墨烯纺织品仍然是一项颇具挑战性的难题。

目前，关于石墨烯纤维材料的研究主要集中在石墨烯纤维的制备以及如何改善石墨烯纤维的力学性能，将石墨烯纳米片层优异的电学、热学和光学性能赋予宏观石墨烯纤维，而关于石墨烯纤维可纺性的研究较少。

高超教授关于石墨烯纤维无纺布的这项研究填补了这项空白！这是石墨烯纤维真正走向实用化、产业化的重要一步！

论文题目： 

Multifunctional non-woven fabrics of   interfused graphene fibres

原文链接：

http://www./articles/ncomms13684#abstract

DOI: 10.1038/ncomms13684