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            朱美芳院士:把碳纖維穿在身上

            2020-04-02

            纖維,人們并不陌生。從1萬年前的獸皮、樹皮、草葉,到公元前的天然纖維,再到20世紀至今每個人都穿過的合成纖維,纖維已經深深嵌入了人類服裝的演化史。

              纖維,人們并不陌生。從1萬年前的獸皮、樹皮、草葉,到公元前的天然纖維,再到20世紀至今每個人都穿過的合成纖維,纖維已經深深嵌入了人類服裝的演化史。未來,我們還能用什么樣的纖維來做服裝?

              “智能的碳基纖維。”在3月30日愛思唯爾在線組織的能源前沿論壇上,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教授給出答案,“世界上70多億人不僅要穿得漂亮,還要穿得更智能。”

              保暖早已不再是人們對服裝的唯一要求。朱美芳介紹,1940年之前,人類處于天然和人造纖維時代,人們常常使用棉花、麻類、絲綢、羊毛、粘膠等纖維材料做衣服;從1950年到1980年,人類進入常規合成纖維時代,從1980年到2000年,人類又進入了差別化纖維時代,如使用異形纖維、易染纖維等;而進入新世紀至今,功能纖維的時代開啟了,抗菌纖維、阻燃纖維、抗靜電纖維、耐光老化纖維等產品進入市場。

              近年來,智能穿戴漸成熱潮,可穿戴電源器件也開始受到追捧。

              “可穿戴電源可以向傳感器、集成電路和顯示屏等電子器件持續提供電力驅動。在不久的將來,能量轉換、能量儲存器件將與其他可穿戴設備實現高度集成化,而能量儲存器件將是關鍵的一環。”朱美芳說。

              那么,用什么材料來制造這樣的存儲器件呢?朱美芳看中了碳基纖維。

              “碳基纖維是理想的電極材料。石墨烯等碳材料,由于其高導電率、優異的電化學性能,將會在這類智能服裝上大放異彩”。

              如何將硬質的碳變成柔軟的纖維,如何設計出儲電性能優異的碳基雜化纖維,成為技術上面臨的挑戰。

              這些年,針對這樣的挑戰,朱美芳帶領著科研團隊不斷探索。2015年,他們首先開發了非液晶濕法紡絲法用于連續化制備石墨烯纖維。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,他們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并削弱了含氧官能團之間的氫鍵相互作用,從而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。”朱美芳說。

              不僅如此,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。

              以此為基礎,朱美芳及其團隊又開發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。最近,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。

              “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模化使用方面展現出可期的未來。”朱美芳說。

              她同時表示,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模化生產和實用技術的研發等。

              “我們也將進一步提高基礎研究和技術創新水平,設計組裝具有更高質量和更好可穿性的碳基纖維及器件。”朱美芳說。

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