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智能碳基纤维候选未来“主咖”

   日期:2020-05-14     来源:中国化工报    浏览:172    评论:0    
核心提示:说到纤维,大家并不陌生。从棉花、蚕丝等天然纤维,再到涤纶、锦纶等合成纤维,纤维伴随着人类服装演变的进程也在悄然发生变化。近些年,一些带有诸如抗菌、阻燃、抗静电等效果的功能性纤维也开始进入市场,那么未来我们还能用什么样的纤维来做服装呢?针对这个问题,中国科学院院士、东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳在5月11日接受中国化工报记者采访时给出的答案是:智能碳基纤维。
   将杂化材料植入纤维世界

  说到纤维,大家并不陌生。从棉花、蚕丝等天然纤维,再到涤纶、锦纶等合成纤维,纤维伴随着人类服装演变的进程也在悄然发生变化。近些年,一些带有诸如抗菌、阻燃、抗静电等效果的功能性纤维也开始进入市场,那么未来我们还能用什么样的纤维来做服装呢?针对这个问题,中国科学院院士、东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳在5月11日接受中国化工报记者采访时给出的答案是:智能碳基纤维。

  碳基纤维性能优异

  众所周知,纤维材料关乎着国计民生和国家战略。我国的合成纤维发展历程已经有60多年,产业也经历从无到有,规模从小到大的发展过程,现在年产量已占全球的70%以上。然而,困扰我国合成纤维发展的最大问题还在于部分高性能纤维的生产技术仍受制于人。

  由朱美芳领衔的东华大学纤维材料改性国家重点实验室团队一直致力于纤维材料研究,包括纳米复合材料与智能材料、纤维成形理论、功能纤维及高分子材料和生物纤维等。朱美芳表示,智能纤维的时代开启,不仅是人们对于抗菌纤维、阻燃纤维、抗静电纤维、耐光老化纤维等产品的需求增长,也是源于智能化可穿戴设备开始受到追捧。

  “在可穿戴设备中,能量储存器件是关键的一环。那么用什么材料来制造能量存储器件呢?我看中的是碳基纤维。”朱美芳表示,碳基纤维是理想的电极材料。如石墨烯等碳材料具有高导电率和优异的电化学性能,都将会在智能服装领域大放异彩。

  杂化纤维克服挑战

  然而,如何将硬质的碳变成柔软的纤维,成为了该项技术面临的最大挑战。为解决这一问题,朱美芳团队引入了杂化这一概念。

  他们尝试在氧化石墨烯液晶溶液中添加氢氧化钠形成非液晶相纺丝液,以乙酸为凝固浴,并采用自制湿法纺丝设备和后还原处理技术制备了多孔石墨烯纤维。

  “碱液的加入,增强了氧化石墨烯片层之间的静电排斥作用,削弱了含氧官能团之间的氢键相互作用,阻止了片层间液晶态的形成;另外,纺丝过程中初生丝表层的酸碱反应和芯部的静电排斥作用同样阻止了片层取向结构的构建,最终实现了纤维的多孔结构。”朱美芳说,碳基杂化纤维的高导电性和多孔特征,使可穿戴能量存储器件在规模化使用方面展现出美好前景。

  在此基础上,他们还实现了石墨烯纤维的连续化制备,及石墨烯纤维器件与面料的集成,开发出了各种类型和结构的石墨烯杂化纤维,如聚乙烯醇/石墨烯纤维、纤维素纳米晶/石墨烯纤维等。此外,该团队还以浮动催化化学气相沉积法成功制备了碳纳米管杂化纤维,用其组装的超级电容器的电化学性能得到显著提高。

  新型纤维未来可期

  未来,该领域仍有一些需要解决的问题,如氧化石墨烯原料的低成本化、稳定化和标准化,石墨烯纤维器件及改性聚合物纤维规模化生产和实用技术的研发等。进一步提高基础研究和技术创新水平,设计组装质量更高和更具可穿性的碳基纤维及器件,也是未来的研究重点。

  “要想实现我国合成纤维产业的由大到强,还需进一步加强基础研究和原创研究,以及加强高精尖纤维开发,拓展纤维的应用领域。”朱美芳表示,我国正在向纤维强国、科技强国迈进,还有很多“卡脖子”的核心技术有待攻坚突破,将“杂化材料”概念植入纤维世界,将促进我国化纤材料的高功能化、纳米化及智能化发展。

  也许未来还会有更多的新型纤维,可挑战厚度、抗菌能力、耐火耐热性等各种传统极限。朱美芳介绍,如在未来人类抗击病毒的战斗中,“神奇纤维”同样可以让防护装备变智能。比如利用新型纤维做出一件抗病毒服,它自身就能消灭病毒,还可以重复循环使用;又比如当某一病毒侵袭的时候,用新型纤维制成的口罩能够变色预警等。

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标签: 复合材料
 
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