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智能碳基纖維候選未來“主咖”
日期:2020-5-14 江蘇化工網
    

——將雜化材料植入纖維世界

說到纖維,大家并不陌生。從棉花、蠶絲等天然纖維,再到滌綸、錦綸等合成纖維,纖維伴隨著人類服裝演變的進程也在悄然發生變化。近些年,一些帶有諸如抗菌、阻燃、抗靜電等效果的功能性纖維也開始進入市場,那么未來我們還能用什么樣的纖維來做服裝呢?針對這個問題,中國科學院院士、東華大學材料科學與工程學院院長朱美芳在511日接受中國化工報記者采訪時給出的答案是:智能碳基纖維。

碳基纖維性能優異

眾所周知,纖維材料關乎著國計民生和國家戰略。我國的合成纖維發展歷程已經有60多年,產業也經歷從無到有,規模從小到大的發展過程,現在年產量已占全球的70%以上。然而,困擾我國合成纖維發展的最大問題還在于部分高性能纖維的生產技術仍受制于人。

由朱美芳領銜的東華大學纖維材料改性國家重點實驗室團隊一直致力于纖維材料研究,包括納米復合材料與智能材料、纖維成形理論、功能纖維及高分子材料和生物纖維等。朱美芳表示,智能纖維的時代開啟,不僅是人們對于抗菌纖維、阻燃纖維、抗靜電纖維、耐光老化纖維等產品的需求增長,也是源于智能化可穿戴設備開始受到追捧。

“在可穿戴設備中,能量儲存器件是關鍵的一環。那么用什么材料來制造能量存儲器件呢?我看中的是碳基纖維!敝烀婪急硎,碳基纖維是理想的電極材料。如石墨烯等碳材料具有高導電率和優異的電化學性能,都將會在智能服裝領域大放異彩。

雜化纖維克服挑戰

然而,如何將硬質的碳變成柔軟的纖維,成為了該項技術面臨的最大挑戰。為解決這一問題,朱美芳團隊引入了雜化這一概念。

他們嘗試在氧化石墨烯液晶溶液中添加氫氧化鈉形成非液晶相紡絲液,以乙酸為凝固浴,并采用自制濕法紡絲設備和后還原處理技術制備了多孔石墨烯纖維。

“堿液的加入,增強了氧化石墨烯片層之間的靜電排斥作用,削弱了含氧官能團之間的氫鍵相互作用,阻止了片層間液晶態的形成;另外,紡絲過程中初生絲表層的酸堿反應和芯部的靜電排斥作用同樣阻止了片層取向結構的構建,最終實現了纖維的多孔結構!敝烀婪颊f,碳基雜化纖維的高導電性和多孔特征,使可穿戴能量存儲器件在規;褂梅矫嬲宫F出美好前景。

在此基礎上,他們還實現了石墨烯纖維的連續化制備,及石墨烯纖維器件與面料的集成,開發出了各種類型和結構的石墨烯雜化纖維,如聚乙烯醇/石墨烯纖維、纖維素納米晶/石墨烯纖維等。此外,該團隊還以浮動催化化學氣相沉積法成功制備了碳納米管雜化纖維,用其組裝的超級電容器的電化學性能得到顯著提高。

新型纖維未來可期

未來,該領域仍有一些需要解決的問題,如氧化石墨烯原料的低成本化、穩定化和標準化,石墨烯纖維器件及改性聚合物纖維規;a和實用技術的研發等。進一步提高基礎研究和技術創新水平,設計組裝質量更高和更具可穿性的碳基纖維及器件,也是未來的研究重點。

“要想實現我國合成纖維產業的由大到強,還需進一步加強基礎研究和原創研究,以及加強高精尖纖維開發,拓展纖維的應用領域!敝烀婪急硎,我國正在向纖維強國、科技強國邁進,還有很多“卡脖子”的核心技術有待攻堅突破,將“雜化材料”概念植入纖維世界,將促進我國化纖材料的高功能化、納米化及智能化發展。

也許未來還會有更多的新型纖維,可挑戰厚度、抗菌能力、耐火耐熱性等各種傳統極限。朱美芳介紹,如在未來人類抗擊病毒的戰斗中,“神奇纖維”同樣可以讓防護裝備變智能。比如利用新型纖維做出一件抗病毒服,它自身就能消滅病毒,還可以重復循環使用;又比如當某一病毒侵襲的時候,用新型纖維制成的口罩能夠變色預警等。

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