摘要：石墨烯是 2004 年被发现的一种新型材料，是继足球烯以及碳纳米管后的又一大研究热点，其独特的 sp2杂化形式以及蜂窝网状的平面结构决定了其独特的性质，并且被应用到各个领域。剥离石墨的方法有很多，但是很少能得到单层或少层的石墨烯，且制备方法较为复杂，得到的石墨烯性能较差，所以寻找一个低成本，规模化快速制备石墨烯的方法是很有必要的。鉴于此，本文主要分析石墨烯纤维的制备与应用。
关键词：石墨烯纤维；制备；应用
1、概述
石墨烯是由英国科学家采用机械剥离法制备得到的一种二维碳纳米结构材料，只有单层碳原子厚度，约为0．335nm，是迄今为止世界上最薄、最强韧的材料。独特的二维纳米层叠结构使得石墨烯拥有许多优异特性，超大的比表面积，良好的导电导热能力，超强的电子迁移能力，抗菌以及力学增强等。石墨烯碳网平面上的C原子是SP2杂化构成稳定六元环晶体结构，片层之间作用力较强，导致石墨烯的分散能力较差不易溶于水和大多数有机溶剂中。
在某些实际应用中，需要将石墨烯组装成宏观物体，然而石墨烯片层间存在着强烈的π-π相互作用和范德华力，导致石墨烯片层发生堆积和团聚，极大降低了石墨烯的有效面积，从而限制了某些方面的应用。
2、石墨烯纤维的制备方法
2.1、机械剥离法
机械剥离法，实质上就是借助机械力（拉伸力、摩擦力与剪切力等等）的作用之下来将石墨剥离成石墨烯片的一种制备方式。早在2004年的时候，Geim和Williams等初次运用胶带重复粘贴高定向热解石墨(HOPG)的方式，从而成功的获取到少层的石墨烯｡其初次运用氧等离子在高定向热解石墨之上通过干法刻蚀的方式来在其表面刻蚀出来厚度约为5μm的沟槽，相应的将刻蚀过的HOPG压制在光刻胶之上，之后再转移到玻璃衬底之上来运用胶带进行重复性的粘贴，直到在玻璃衬底上有一层十分薄的片层，随即将这部分写到微薄片层的玻璃衬底在丙酮溶液之中来进行必要的超声处理，从而再将携带有SiO2薄膜的硅基片放入到丙酮溶液之中，进而在范德华力的作用之下单层石墨烯片层就会附着在硅基片之上，最终将石墨烯片分离出来。
2.2、液相剥离法
运用超声辅助的液相剥离法是剥离石墨常用的方法之一，其原理是通过超声波作用，使得石墨层间有微米级别的泡沫增长和破裂，以此产生强大的冲击力，促进石墨的剥离。根据混合焓理论，若要剥离之后的石墨烯稳定存在，则需要与石墨表面张力或表面能相近的分散液，所以溶剂的选择对于超声剥离尤为重要。最初剥离石墨所用的分散剂大多数为有机溶剂，但是有机溶剂存在着毒性大；剥离产率低；可使用的有机溶剂数量有限；生物相容性不好等问题，所以以有机溶剂作为分散剂剥离石墨也限制了石墨烯的大范围生产。
离子液体是一种新型溶剂，其熔点通常低于100℃，有着和有机溶剂不同的特性。比如，离子液体有着极低的蒸汽压，良好的热稳定性，不可燃性，绿色环保等。但是最重要的是，多数离子液体的表面能和石墨烯的表面能相接近，这是促进石墨有效剥离的基础，除此之外，离子液体还有着一般离子化合物的基本性能，和剥离的石墨烯之间存在着库伦引力，也使石墨烯可以稳定存在于离子液体之中，而不易发生再次聚合。
2.3、电化学剥离
电化学剥离石墨近年来受到越来越多的关注。其原理是在电场的作用下，石墨边缘被氧化或羟基化，从而能使电解液粒子插入层中，石墨作为阴阳极，使电解液发生氧化或还原反应。这个过程中伴随着气体产生，离子的攻击与气体产生的压力使得石墨产生剥离效果。石墨电化学剥离法主要经历三个步骤：插层、膨胀、剥落。与其他剥离方法相比，电化学剥离法具有操作简单、环境友好、成本低、反应容易控制、无毒等优点。Parvez等用硫酸作电解液，通过改变电解液的浓度去优化剥离效果，当硫酸电解液的浓度为0.1mol/L时，总收率可达到60%。
2.4、薄膜收缩法
2011年，清华大学朱宏伟课题组报道了一种超薄石墨烯薄膜组装纤维的方法。经化学气相沉积法(CVD)生长的石墨烯薄膜浸渍于乙醇、丙酮等有机溶剂中，薄膜发生自发卷曲和收缩，从溶剂中提拉后形成具有疏松多孔结构的石墨烯短纤维，电导率约为10S•m－1。哈尔滨工业大学黄玉东课题组也发展了一种薄膜收缩制备石墨烯纤维的方法，如图1所示。
图1薄膜收缩法制备石墨烯纤维的流程示意图
3、石墨烯纤维的应用
3.1、电极材料
由于石墨烯气凝胶在保持了石墨烯的优良性能的同时拥有丰富的孔隙，在参杂其他原子改性后可极大提高电容器容量。加州大学圣克鲁兹分校和劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用氧化锰改性的石墨烯气凝胶，制成电极放入电容器中使用。其单位面积上的电荷储存量超过了目前所有的电容器，并且在两万次的充电、放电循环后仍能保持 90%的初始电容量，表现出良好的循环稳定性。
3.2、锂离子电池与吸附材料
石墨烯在生活、生产、科技等各个领域的应用逐渐增多，但是，目前所掌握的剥离技术制得的石墨烯远远满足不了各领域的应用，而且由于制备方法复杂，耗费成本也较高。因此，低成本宏观大范围制备结构缺陷少的石墨烯对石墨烯领域的发展至关重要，也是亟待解决的问题。石墨烯的二维片层结构及气凝胶的高孔隙率、多吸附活性位点赋予了石墨烯气凝胶极高的吸附效率，使其对多种有机物质有较强的吸附能力。除吸附有机物质和油类外，还可吸收染料废水中的亚甲基蓝。
3.3、传感器
石墨烯材料具有高载流子迁移率、高力学强度等特性，通过调节石墨烯的费米能级以获得两种载流子的双极性行为，使石墨烯同时接收多种传感信号。同时气凝胶材料具有多孔结构，该结构对压力十分敏感，其与碳纳米管复合，可制得控制灯泡亮度的压力开关。石墨烯也可以通过压阻效应接受声音频率信号，准确区分不同长度的声波，制成智能石墨烯人工喉。除此之外，石墨烯气凝胶和气体作用可以导致电导率改变。这些性能使得石墨烯气凝胶在力学、声学、光学、电化学、气体等多个方面都可被制成传感器。
总之，石墨烯作为21世纪最具潜力的纳米材料，拥有独一无二的特殊性能，将石墨烯与纺织物相结合制备新型功能纺织品，不仅拓宽了石墨烯的应用范围，而且赋予了纺织品一些特殊性能，为制备各种功能集于一体的纺织品提供了可能。纯石墨烯纤维相比于碳纤维，具有高强高模、导电导热和一定的柔性等特点，已发展成为一类新型的高性能纤维。另一方面，石墨烯复合纤维致力于发展成为一类新型的多功能、甚至智能纤维。该类纤维从改性传统通用纤维开始，从提高通用纤维某方面的性能入手，到开发出新品种纤维，比如石墨烯/纳米氧化钛复合纤维，开发出全新的纤维性能和功能，比如能量存储，最终在纤维上同时实现感知、判断、响应、信息传输等多种功能，成为一类新型的智能材料。因此未来石墨烯纤维及其复合纤维将在航空航天、国防军工、能源传感、智慧生活等领域具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]范运得.石墨相氮化碳或石墨烯复合纤维材料的制备及其应用研究[D].湖北大学,2018.
[2]迟淑丽.石墨烯/再生纤维素复合纤维制备及其在传感器领域的应用[D].青岛大学,2017.
论文作者:常博文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/16
标签：石墨论文; 纤维论文; 凝胶论文; 电解液论文; 薄膜论文; 结构论文; 电化学论文; 《基层建设》2019年第25期论文;