文献ℱ石墨烯纳米带作为制备碳纤维的先进前驱体

研究内容

该团队将氧化石墨烯纳米带（GONRs）和化学还原的石墨烯纳米带（crGNRs）分散在高浓度氯磺酸中形成各向异性液晶相，将液晶溶液直接纺成数百米的连续宏观纤维，并且研究了纤维形态与凝固浴条件的关系，研究了胶体浓度，退火温度，纺丝气隙和退火前预拉伸对纤维性能的影响。

在1500℃下对初纺GONR纤维进行热处理，得到热还原石墨烯纳米带（trGNR）纤维，强度为378MPa，杨氏模量为36.2GPa，导电率为285S / cm，远高于其他报道的石墨烯衍生纤维。这种优良性质的trGNR纤维性能是由于气隙纺丝和预拉伸退火，在纤维内产生更高的分子排列，通过X射线衍射和扫描电子显微镜证明。

trGNR纤维的比模量高于商业通用碳纤维和常用金属如Al，Cu和钢的比模量。通过优化具有较高拉伸比的纺丝条件，具有较高预拉伸的退火条件和使用较长的片状GONR，可以进一步改善trGNR纤维的性能。该技术是一种新的高碳收率方法，可用于制造基于溶液型液晶相纺的下一代碳纤维。

图1. 处理两种GNR纤维的方法

图2. 不同碳纤维前驱体的特征示意图。a）PAN前体，长的无序聚合物链；b）中间相沥青前驱体， 具有直径约2nm的小分子的液晶相；c）GNR液晶相，其单根带长4μm，宽度超过100nm 

图3. 通过POM观察到的氯磺酸中的液晶：a）透射模式下2wt%的GONRs；b）在交叉极化模式下的2wt%GONRs；c）在透射模式下2wt%crGNRs；d）在交叉极化模式下的2wt%crGNRs 

图4. 干喷湿纺设备：a）石蜡膜覆盖于醚的凝固浴以减缓挥发，连续纤维喷入到具有12cm空气间隙的浴中， 红框框起的区域在插图中放大，显示了从喷丝头挤出的纤维；b）纤维在凝固浴的底部自发形成线圈；c）在特氟隆辊上收集的纤维

图5. 由8wt%胶体纺成的GONR纤维的表征： a）初纺纤维的表面形态； b）横截面形态；c）将纤维打结成环

图6. a）1050℃退火的trGNR纤维的表面形态；b）1050℃退火的trGNR纤维的横截面形态；c）初纺GONR纤维（12cm空气段）和1050℃退火trGNR纤维（12cm空气段）的典型应力应变曲线 

图7. 高性能材料的机械性能比较：a）8和15wt%trGNR纤维和一些GPCF的拉伸强度和模量与纤维直径的关系图；b）比较trGNR纤维，GPCF，金属和Kevlar纤维的特定模量。GPCF1指的是Kureha KCF-100T，GPCF2指的是Kureha KCF-100F

图8. 二维XRD探测器图像：a）8wt%GONR纤维；b）1300℃退火的trGNR纤维；c）1500℃退火的trGNR纤维；d）X射线衍射图

图9. a）15wt%胶体溶液初纺的GONR纤维的横向断裂表面，显示具有少量顺序的带状物；b）1300℃退火的15wt%胶体溶液的trGNR纤维，部分排列的石墨层

图10.加热超过2500℃时不同碳纤维前驱体的碳收率

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