酸化グラフェン繊維の編みやすさを目指して

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14946 (2015) この記事を引用

5468 アクセス

59 件の引用

12 オルトメトリック

メトリクスの詳細

酸化グラフェン繊維 (GO) 加工の最近の開発には、手織り繊維構造の刺激的なデモンストレーションが含まれます。しかし、生産された繊維が従来の繊維製造の加工要件を満たすことができるかどうかは不明です。この研究では、繊維機械を使用して編むことができる、非常に柔軟で丈夫な GO 繊維の製造について初めて報告しました。 GO ファイバーはドライジェット湿式紡糸法を使用して製造されており、ファイバー紡糸プロセスのいくつかの段階で紡糸溶液 (GO 分散液) を引き出すことができます。凝固組成と紡糸条件が詳細に評価され、これにより、円形に近い断面と高度に秩序化された GO ドメインを備えた高密度の繊維が生成されます。その結果、ヤング率〜7.9 GPa、引張強度〜135.8 MPa、破断ひずみ〜5.9%、靱性〜5.7 MJ m-3 のニット可能な GO 繊維が得られました。適切な紡糸方法、凝固組成、紡糸条件の組み合わせにより、顕著な靭性を備えた GO 繊維が得られました。それが編み物を成功させるための重要な要素でした。この研究は、新しいクラスのテキスタイルとして GO ファイバーの可能性を最大限に実現する上での重要な進歩を浮き彫りにしています。

ニートグラフェンおよび酸化グラフェン (GO) ファイバーに関する多くの刺激的な開発が、世界中の研究グループによって報告されています1、2、3、4、5、6、7、8、9。これらの進歩の原動力は、繊維研究への繊維の統合の容易さと、グラフェンと GO 繊維が高度な用途に付加価値のある特性を提供することです。テキスタイルの研究開発では、何十年も前から存在するテクノロジーが使用されており、これはおそらく、グラフェンベースのウェアラブルエネルギー貯蔵デバイスなどの多機能ファブリックの開発に向けた最も実現可能なルートの 1 つです10。 GO 繊維による織物構造の実証はいくつかありますが、これらは手で織られたものです1、3、8、11。この手作業による生産方法では、繊維機械を使用してこのプロセスを採用できるかどうか、また生産された繊維が繊維加工の要件を満たすことができるかどうかを評価することが困難です。編み可能な GO 繊維を製造するための適切な紡績方法を研究し、その可能性を最大限に引き出すためには編みの実現可能性を判断することが重要です。

GO の繊維紡糸に関する最近の開発は、剛性と強度の向上に焦点を当てています。これまで、可撓性（伸縮性）や靱性など、ニット加工性を実現するために必要な他の特性の向上は見落とされてきました。特に、繊維機械を使用して GO 繊維から繊維構造を開発したという報告はありません。

GO ファイバーの機械的特性は、ファイバーの紡糸条件を注意深く制御することで、目的の用途に合わせて調整できます 1、2、3、4、5、6、7、8、9。液晶酸化グラフェン (LCGO) 分散液の湿式紡糸に関する報告 1、12、13、14 は、LCGO ドメインの整列、それらの相互作用、および GO シートに固有の構造欠陥が繊維特性の改善に重要であることを示しています 3、 11、15。紡糸中に繊維を延伸すると、LCGO ドメインの整列が増加し、機械的特性がさらに向上することがわかりました 6。繊維欠陥を生じた紡糸条件では、剛性と強度が低くなります 15,16。グラフェンナノリボン（GNR）のドライジェット湿式紡糸では、紡糸口金と凝固浴の間にエアギャップを導入すると、ジェットの引き込みにより優れた機械的特性が得られます（ジェットとは、本明細書では安定した液体の流れと呼ばれます）。溶液を空気中で紡糸する）１６．この方法では、GNR をクロロスルホン酸に溶解し、凝固浴の非溶媒としてジエチルエーテルを使用する必要があります。どちらの試薬もスケールアップに課題をもたらします。一方、水性 GNR 分散液のドライジェット湿式紡糸では、劣った特性の繊維が得られました。

23 gauge) had very small diameters (<20 μm) which were difficult to handle. In dry-jet wet-spinning, very fine spinnerets (>30 gauge, nozzle diameter <0.16 mm) were required to avoid droplet formation and to achieve spinnability (Fig. 2e). More importantly, larger nozzle diameters required higher GO concentration for the formation of a continuous jet to occur. For example, a 30 gauge needle (nozzle diameter 0.16 mm) required a 20 mg mL−1 GO dispersion to achieve the same spinnability as the 34 gauge needle (nozzle diameter 0.08 mm) using a 10 mg mL−1 GO concentration; otherwise, only droplets formed at the needle tip (Fig. 2d). Upon the investigation of nozzle size, injection rate and GO concentration during dry-jet wet-spinning, it was found that GO fibres can be successfully produced using air gap lengths of up to 5 cm. It was found however, that not all GO concentrations could be spun consistently with various nozzle sizes or at particular injection rates using a 5 cm air gap. In contrast, fibres can be consistently produced from all spinning parameters investigated when the air gap is set at 3 cm. Therefore, we maintained the air gap at 3 cm for all of our dry-jet wet-spinning experiments to ensure consistency of spinning parameters across all samples while simultaneously maximising jet-drawing. This air gap is in the range of air gaps used in commercial processes (0.5–10 cm)20,21,22,23./p>20 Hz based on above calculations), the 5 mg mL−1 LCGO dispersion exhibited a G’/G” <3 that is typical of viscoelastic soft solids24. In contrast, LCGO dispersions at higher concentrations (e.g. 10 and 20 mg mL−1) exhibited G’/G” >4 that is typical of viscoelastic gels24. These results clearly highlight the difference in rheological behaviour of GO concentrations that can be used for wet-spinning (i.e. below 10 mg ml−1) and dry-jet wet-spinning (i.e. above 10 mg ml−1) applications and how the fibre spinning conditions (i.e. flow rate and nozzle diameter) can be used to fine tune their flow behaviour and thus spinnability./p>