Vers la tricotabilité des fibres d'oxyde de graphène | Groupe de fils de graphène du Hubei

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 14946 (2015) Citer cet article

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Les développements récents dans le traitement des fibres d'oxyde de graphène (GO) incluent des démonstrations passionnantes de structures textiles tissées à la main. Cependant, il n’est pas certain que les fibres produites puissent répondre aux exigences de transformation de la fabrication textile conventionnelle. Ce travail rend compte pour la première fois de la production de fibres GO hautement flexibles et résistantes qui peuvent être tricotées à l'aide de machines textiles. Les fibres GO sont fabriquées à l'aide d'une méthode de filage humide à jet sec, qui permet d'extraire la solution de filage (la dispersion GO) en plusieurs étapes du processus de filage des fibres. La composition de la coagulation et les conditions de filage sont évaluées en détail, ce qui a conduit à la production de fibres densément compactées avec des sections transversales presque circulaires et des domaines GO hautement ordonnés. Les résultats sont des fibres GO tricotables avec un module d'Young d'environ 7,9 GPa, une résistance à la traction d'environ 135,8 MPa, une déformation à la rupture d'environ 5,9 % et une ténacité d'environ 5,7 MJ m−3. La combinaison d'une méthode de filage appropriée, d'une composition de coagulation et de conditions de filage a conduit à des fibres GO d'une ténacité remarquable ; le facteur clé de leur succès en tricot. Ce travail met en évidence des progrès importants dans la réalisation du plein potentiel des fibres GO en tant que nouvelle classe de textile.

De nombreux développements passionnants sur les fibres de graphène pur et d'oxyde de graphène (GO) ont été rapportés par des groupes de recherche du monde entier1,2,3,4,5,6,7,8,9. Les moteurs de ces progrès sont la facilité d’intégration des fibres dans la recherche textile et le fait que les fibres de graphène et GO offrent des propriétés à valeur ajoutée pour les applications avancées. La recherche et le développement textiles utilisent une technologie qui existe depuis de nombreuses décennies et qui constitue sans doute l’une des voies les plus réalisables vers le développement de tissus multifonctionnels, notamment des dispositifs de stockage d’énergie portables à base de graphène10. S'il y a eu quelques démonstrations de structures textiles à partir de fibres GO, celles-ci ont été tissées à la main1,3,8,11. Cette méthode de production manuelle rend difficile d'évaluer si le processus peut être adopté à l'aide de machines textiles et si les fibres produites sont capables de répondre aux exigences de la transformation textile. Il est essentiel d’étudier les méthodologies de filage appropriées pour produire des fibres GO tricotables et de déterminer la faisabilité de leur tricotage afin de réaliser leur plein potentiel.

Les développements récents sur le filage des fibres de GO se sont concentrés sur l'amélioration de la rigidité et de la résistance. À ce jour, les améliorations d'autres propriétés nécessaires pour obtenir une tricotabilité, telles que la flexibilité (extensibilité) et la ténacité, ont été négligées. Notamment, aucun rapport n’a été publié sur le développement de structures textiles à partir de fibres GO à l’aide de machines textiles.

Les propriétés mécaniques des fibres GO peuvent être adaptées à une application souhaitée grâce à un contrôle minutieux des conditions de filage des fibres1,2,3,4,5,6,7,8,9. Des rapports sur la filature humide de dispersions d'oxyde de graphène cristallin liquide (LCGO)1,12,13,14 indiquent que l'alignement des domaines LCGO, leurs interactions, ainsi que les défauts structurels inhérents aux feuilles GO étaient essentiels à l'amélioration des propriétés des fibres3, 11,15. Il a été constaté que l’étirage des fibres pendant le filage entraînait un alignement accru des domaines LCGO, améliorant encore les propriétés mécaniques6. Les conditions de filage qui ont entraîné des défauts dans les fibres montrent une faible rigidité et une faible résistance15,16. Dans la filature humide à jet sec de nanorubans de graphène (GNR), l'introduction d'un espace d'air entre la filière et le bain de coagulation a entraîné des propriétés mécaniques supérieures en raison de l'étirage du jet (le jet est appelé ici le flux stable de solution de filage dans l’air)16. Cette méthode nécessite que le GNR soit dissous dans de l'acide chlorosulfonique et que l'éther diéthylique soit utilisé comme non-solvant dans le bain de coagulation ; les deux réactifs posent des problèmes de mise à l’échelle. D’autre part, le filage humide par jet sec de dispersions aqueuses de GNR a abouti à des fibres aux propriétés inférieures.

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>