好看又智能！朱美芳院士：把碳纤维穿在身上

纤维,人们并不陌生。从1万年前的兽皮、树皮、草叶,到公元前的天然纤维,再到20世纪至今每个人都穿过的合成纤维,纤维已经深深嵌入了人类服装的演化史。未来,我们还能用什么样的纤维来做服装?

“智能的碳基纤维。”在3月30日爱思唯尔在线组织的能源前沿论坛上,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教授给出答案,“世界上70多亿人不仅要穿得漂亮,还要穿得更智能。”

保暖早已不再是人们对服装的唯一要求。朱美芳介绍,1940年之前,人类处于天然和人造纤维时代,人们常常使用棉花、麻类、丝绸、羊毛、粘胶等纤维材料做衣服;从1950年到1980年,人类进入常规合成纤维时代,从1980年到2000年,人类又进入了差别化纤维时代,如使用异形纤维、易染纤维等;而进入新世纪至今,功能纤维的时代开启了,抗菌纤维、阻燃纤维、抗静电纤维、耐光老化纤维等产品进入市场。

近年来,智能穿戴渐成热潮,可穿戴电源器件也开始受到追捧。

“可穿戴电源可以向传感器、集成电路和显示屏等电子器件持续提供电力驱动。在不久的将来,能量转换、能量储存器件将与其他可穿戴设备实现高度集成化,而能量储存器件将是关键的一环。”朱美芳说。

那么,用什么材料来制造这样的存储器件呢?朱美芳看中了碳基纤维。

“碳基纤维是理想的电极材料。石墨烯等碳材料,由于其高导电率、优异的电化学性能,将会在这类智能服装上大放异彩”。

如何将硬质的碳变成柔软的纤维,如何设计出储电性能优异的碳基杂化纤维,成为技术上面临的挑战。

这些年,针对这样的挑战,朱美芳带领着科研团队不断探索。2015年,他们首先开发了非液晶湿法纺丝法用于连续化制备石墨烯纤维。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,他们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并削弱了含氧官能团之间的氢键相互作用,从而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。

不仅如此,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。

以此为基础,朱美芳及其团队又开发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。最近,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。

“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可期的未来。”朱美芳说。

她同时表示,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。

“我们也将进一步提高基础研究和技术创新水平,设计组装具有更高质量和更好可穿性的碳基纤维及器件。”朱美芳说。

朱美芳,女,1965年8月出生于江苏如皋,纤维材料专家,中国科学院院士,东华大学教授、博士生导师。1982年朱美芳考入中国纺织大学化纤系,先后获得工学学士、硕士学位;1989年硕士毕业后留校工作,先后担任中国纺织大学高分子材料系助教、讲师、副教授、副系主任;1995年至1999年由德国德累斯顿工业大学与东华大学联合培养,并获得工学博士学位;1998年至2005年先后担任东华大学材料科学与工程学院院长助理、副院长、院长;2004年至2006年兼任纤维材料改性国家重点实验室主任;2005年至2009年担任东华大学副校长;2009年获得国家杰出青年科学基金资助;2017年获得全国创新争先奖;2019年当选中国科学院院士。朱美芳长期从事纤维材料的功能化、舒适化和智能化研究,取得了系统的创新性成果。